JP7777336B2 - Estimation device, wireless communication system including the same, and program for causing a computer to execute the same - Google Patents
Estimation device, wireless communication system including the same, and program for causing a computer to execute the sameInfo
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Description
特許法第30条第2項適用 IEEE WIRELESS COMUNICATIONS LETTERS,VO.10,NO.7,JULY 2021にて「Matrix Factorization-Based RSS Interpolation for Radio Environment Prediction」について公開。信学技報 IEICE Technical Report SR2021-85(2022-3)にて「IRS-Assisted MIMO-OFDM方式における伝搬路行列の予測に関する検討」について公開。Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act applies. "Matrix Factorization-Based RSS Interpolation for Radio Environment Prediction" was published in IEEE WIRELESS COMMUNICATIONS LETTERS, VO. 10, NO. 7, July 2021. "Study on Propagation Path Matrix Prediction in IRS-Assisted MIMO-OFDM Systems" was published in IEICE Technical Report SR2021-85 (2022-3).
この発明は、推定装置、それを備える無線通信システムおよびコンピュータに実行させるためのプログラムに関するものである。 This invention relates to an estimation device, a wireless communication system including the same, and a program for causing a computer to execute the same.
次世代通信規格では、第5世代移動通信システム(5G)の特徴である高速・大容量、低遅延、多数接続の各性能を高めつつ、ミリ波やテラヘルツ波などの高周波数帯を活用し、国内外のどこにいてもあらゆる人・情報・物にアクセス可能な通信インフラを構築することが求められている。 Next-generation communications standards require the creation of a communications infrastructure that will enable access to all people, information, and things anywhere, both domestically and internationally, while enhancing the high speed, large capacity, low latency, and multiple connection capabilities that are characteristic of fifth-generation mobile communications systems (5G).
高い周波数の電波は、見通し外の伝搬が期待できず、電波の弱い場所が生じてしまう。そのため、反射特性を動的に変更可能な複数の受動反射素子で構成される電磁波反射体(IRS: Intelligent Reflecting Surface)によって、高い周波数の電波の問題を解決する技術の検討が盛んになってきている(非特許文献1)。各素子の反射特性を適切に変更し、障害物を迂回した電波伝搬経路を形成することで、見通し外でも安定した通信を実現できる。 High-frequency radio waves cannot be expected to propagate beyond line of sight, resulting in weak spots. For this reason, there has been active research into technology that solves the problem of high-frequency radio waves by using an intelligent reflecting surface (IRS), which is made up of multiple passive reflecting elements whose reflection characteristics can be dynamically changed (Non-Patent Document 1). By appropriately changing the reflection characteristics of each element and creating a radio wave propagation path that bypasses obstacles, stable communication can be achieved even beyond line of sight.
IRSは、基本的に電磁波反射板として作用し、高周波回路を持たないため、カバレッジ拡大のための従来のマルチホップ通信と比べ格段に消費電力が小さいという利点もある。 Because IRS essentially acts as an electromagnetic wave reflector and does not contain high-frequency circuits, it also has the advantage of consuming significantly less power than conventional multi-hop communications used to expand coverage.
しかし、IRSを用いた無線通信システム(IRS-assited system)では、IRS上の全ての反射素子について反射係数を最適化するため、送信アンテナ-各反射素子-受信アンテナの組み合わせだけ存在する膨大な伝搬路群の推定が必要になる(非特許文献2~非特許文献6)。 However, in a wireless communication system using an IRS (an IRS-assigned system), in order to optimize the reflection coefficients for all reflecting elements on the IRS, it is necessary to estimate a huge number of propagation paths, each of which exists as a combination of a transmitting antenna, each reflecting element, and a receiving antenna (Non-Patent Documents 2 to 6).
伝搬路の推定には、送信機と受信機との間で既知のトレーニング信号を用いることが一般的であるが、IRS-assited systemでは、多数の伝搬路が存在するため、この伝搬路群の推定のためには長いトレーニング期間が必要となる。また、伝搬路群の推定値あるいは推定値より計算された反射パターンの情報を受信機からIRSにフィードバックする必要があるため、チャネル推定(伝搬路推定)が行われた時刻からデータ送信の間にIRSを用いないシステムと比較して長いラグが生じると考えられる。無線端末が移動する場合、必然的に伝搬路が変動し、推定が行われた時点からのラグが大きい場合、過去のチャネル推定値(伝搬路推定値)に基づいてIRSを制御しても、その性能を最大限に引き出すことができない。 Propagation path estimation typically involves using a known training signal between the transmitter and receiver. However, in an IRS-assist system, because numerous propagation paths exist, a long training period is required to estimate these propagation path groups. Furthermore, because the receiver must provide feedback on the propagation path group estimates or reflection pattern information calculated from the estimates to the IRS, a longer lag is likely to occur between the time channel estimation (propagation path estimation) is performed and data transmission compared to systems that do not use IRS. When a wireless terminal moves, the propagation path inevitably fluctuates, and if there is a large lag from the time estimation is performed, controlling the IRS based on past channel estimates (propagation path estimates) will not maximize its performance.
そこで、この発明の実施の形態によれば、送信機と受信機との間の伝搬路の推定時刻と送信時刻とのラグによる乖離を抑圧可能な推定装置を提供する。 Accordingly, an embodiment of the present invention provides an estimation device that can suppress the discrepancy caused by the lag between the estimated time of the propagation path between the transmitter and receiver and the transmission time.
また、この発明の実施の形態によれば、送信機と受信機との間の伝搬路の推定時刻と送信時刻とのラグによる乖離を抑圧可能な推定装置を備える無線通信システムを提供する。 Furthermore, according to an embodiment of the present invention, a wireless communication system is provided that includes an estimation device that can suppress the discrepancy caused by the lag between the estimated time of the propagation path between the transmitter and receiver and the transmission time.
更に、この発明の実施の形態によれば、送信機と受信機との間の伝搬路の推定時刻と送信時刻とのラグによる乖離の可能な抑圧をコンピュータに実行させるためのプログラムを提供する。 Furthermore, according to an embodiment of the present invention, a program is provided that causes a computer to suppress possible discrepancies due to lag between the estimated time of the propagation path between the transmitter and receiver and the transmission time.
(構成1)
この発明の実施の形態によれば、推定装置は、MT(MTは、2以上の整数)個のアンテナを有する送信機と、反射特性を動的に変更可能なN(Nは、2以上の整数)個の反射素子を有する電磁波反射体であるIRSと、MR(MRは、2以上の整数)個のアンテナを有する受信機とが非直線状に配置された無線通信空間において、送信機が受信機へ既知の信号であるパイロット信号を送信したとき、送信機と受信機との間の伝搬路の周波数応答を受信機において推定する推定装置であって、推定手段と、最適化手段とを備える。推定手段は、パイロット信号の受信信号を受けると、その受けた受信信号に基づいて、受信信号を受信した時点における伝搬路の周波数応答FQR_0を推定し、その推定した周波数応答FQR_0に基づいて、自己回帰モデルを用いて、受信機が受信信号を受信した時点から将来の時点であるG(Gは、1以上の整数であり、伝搬路の周波数応答を推定する時点の総数である。)個の時点における周波数応答であるG個の周波数応答FQR_1~FQR_Gを推定する推定処理を実行する。最適化手段は、周波数応答FQR_0およびG個の周波数応答FQR_1~FQR_Gを用いて、N個の反射素子の反射係数とMT個のアンテナの送信重みとを最適化する最適化処理を実行する。
(Configuration 1)
According to an embodiment of the present invention, an estimation device is an estimation device that estimates a frequency response of a propagation path between a transmitter and a receiver in a wireless communication space in which a transmitter having M T (M T is an integer of 2 or more) antennas, an IRS that is an electromagnetic wave reflector having N (N is an integer of 2 or more) reflecting elements whose reflection characteristics can be dynamically changed, and a receiver having M R (M R is an integer of 2 or more) antennas are non-linearly arranged, when the transmitter transmits a pilot signal that is a known signal to the receiver, and the estimation device comprises an estimation means and an optimization means. Upon receiving a received signal of the pilot signal, the estimation means estimates a frequency response FQR_0 of the propagation path at the time the received signal was received based on the received signal, and then performs an estimation process using an autoregressive model based on the estimated frequency response FQR_0 to estimate G frequency responses FQR_1 to FQR_G that are frequency responses at G (G is an integer greater than or equal to 1 and is the total number of times at which the frequency responses of the propagation path are estimated) time points in the future from the time the receiver received the received signal. The optimization means performs an optimization process using frequency response FQR_0 and the G frequency responses FQR_1 to FQR_G to optimize the reflection coefficients of the N reflecting elements and the transmission weights of the M T antennas.
(構成2)
構成1において、推定手段は、推定処理において、推定した周波数応答FQR_0を周波数応答の初期値とし、初期値から第1番目の周波数応答FQR_1を推定すると、g(gは、1≦g≦(G-1)を満たす整数)番目の周波数応答FQR_gから(g+1)番目の周波数応答FQR_g+1を推定する推定処理をg=1~(G-1)の全てについて順次実行してG個の周波数応答FQR_1~FQR_Gを推定する。
(Configuration 2)
In configuration 1, in the estimation process, the estimation means sets the estimated frequency response FQR_0 as the initial value of the frequency response, and estimates the first frequency response FQR_1 from the initial value. Then, the estimation process is executed sequentially for all of g=1 to (G−1) to estimate G frequency responses FQR_1 to FQR_G, estimating g (g is an integer satisfying 1≦g≦(G−1)) frequency responses FQR_g to (g+1) frequency responses FQR_g+1.
(構成3)
構成2において、周波数応答FQR_0およびg個の周波数応答FQR_1~FQR_gの各々は、電波が送信機から受信機へ直接到達するときの伝搬路である直接リンクの周波数応答を示す第1の周波数応答と、電波が送信機からIRSを経由して受信機へ到達するときの伝搬路である間接リンクの周波数応答を示す第2の周波数応答とからなり、周波数応答FQR_0の第1の周波数応答および第2の周波数応答の各々を初期値とする。そして、推定手段は、推定処理において、推定した周波数応答FQR_0の第1の周波数応答の初期値から第1番目の第1の周波数応答を推定するとともに推定した周波数応答FQR_0の第2の周波数応答の初期値から第1番目の第2の周波数応答を推定すると、g番目の第1の周波数応答から(g+1)番目の第1の周波数応答を推定し、g番目の第2の周波数応答から(g+1)番目の第2の周波数応答を推定し、g番目の第1の周波数応答およびg番目の第2の周波数応答とからなるg番目の周波数応答FQR_gを推定するとともに(g+1)番目の第1の周波数応答および(g+1)番目の第2の周波数応答とからなる(g+1)番目の周波数応答FQR_g+1を推定する処理をg=1~(G-1)の全てについて順次実行してG個の周波数応答FQR_1~FQR_Gを推定する。
(Configuration 3)
In configuration 2, the frequency response FQR_0 and each of the g frequency responses FQR_1 to FQR_g consist of a first frequency response that indicates the frequency response of a direct link, which is the propagation path when radio waves reach the receiver directly from the transmitter, and a second frequency response that indicates the frequency response of an indirect link, which is the propagation path when radio waves reach the receiver from the transmitter via an IRS, and each of the first frequency response and the second frequency response of the frequency response FQR_0 is set to an initial value. Then, in the estimation process, the estimation means estimates a first first frequency response from the initial value of the first frequency response of the estimated frequency response FQR_0 and estimates a first second frequency response from the initial value of the second frequency response of the estimated frequency response FQR_0, then estimates a (g+1)th first frequency response from the gth first frequency response, estimates a (g+1)th second frequency response from the gth second frequency response, estimates a gth frequency response FQR_g consisting of the gth first frequency response and the gth second frequency response, and estimates a (g+1)th frequency response FQR_g+1 consisting of the (g+1)th first frequency response and the (g+1)th second frequency response, thereby estimating G frequency responses FQR_1 to FQR_G.
(構成4)
構成1から構成3のいずれかにおいて、推定手段は、送信機が、MT個のアンテナのうちの1つのアンテナのみがパイロット信号の送信に用いられ、かつ、1つのアンテナ以外のアンテナがパイロット信号の送信に用いられないMT個のアンテナのアンテナパターンにパイロット信号を割り当てて送信するインデックス変調によって(N+1)MT個のパイロット信号を受信機へ順次送信したとき、推定処理において、1つのパイロット信号を受信するごとに、伝搬路の周波数応答を示す周波数応答行列の1つの列を推定する処理を周波数応答行列の全ての列について実行することによって周波数応答行列を推定し、その推定した周波数応答行列からなる周波数応答FQR_0を推定する。
(Configuration 4)
In any of configurations 1 to 3, when the transmitter sequentially transmits (N+1)M T pilot signals to the receiver by index modulation in which pilot signals are assigned to antenna patterns of the M T antennas, where only one antenna out of the M T antennas is used for transmitting the pilot signal and antennas other than the one antenna are not used for transmitting the pilot signal, the estimation means estimates a frequency response matrix by performing a process of estimating one column of a frequency response matrix indicating the frequency response of a propagation path for all columns of the frequency response matrix, each time one pilot signal is received, and estimates a frequency response FQR_0 consisting of the estimated frequency response matrix.
(構成5)
構成4において、インデックス変調による(N+1)MT個のパイロット信号の送信は、送信機が、インデックス変調におけるMT個のアンテナのアンテナパターンを(N+1)MT個のアンテナパターンに順次変えて(N+1)MT個のパイロット信号を順次送信することによって実行される。
(Configuration 5)
In configuration 4, transmission of (N+1)MT pilot signals by index modulation is performed by the transmitter sequentially changing the antenna patterns of the MT antennas in the index modulation to (N+1) MT antenna patterns and sequentially transmitting the (N+1) MT pilot signals.
(構成6)
構成4または構成5において、推定手段は、推定処理において、推定した周波数応答行列に対して周波数応答行列の要素間を補間する行列補間を実行し、行列補間後の周波数応答行列を周波数応答FQR_0として推定する。
(Configuration 6)
In the configuration 4 or 5, the estimation means performs matrix interpolation on the estimated frequency response matrix in the estimation process to interpolate between elements of the frequency response matrix, and estimates the frequency response matrix after matrix interpolation as the frequency response FQR_0.
(構成7)
構成6において、推定手段は、推定処理において、推定した周波数応答行列からハンケル行列を生成し、その生成したハンケル行列を特異値分解して第1および第2の行列の積に分解し、第1の行列の更新、第2の行列の更新およびハンケル行列の更新を所定回数実行することによって行列補間を実行する。
(Configuration 7)
In configuration 6, the estimation means generates a Hankel matrix from the estimated frequency response matrix in the estimation process, decomposes the generated Hankel matrix into a product of first and second matrices by singular value decomposition, and performs updating of the first matrix, updating of the second matrix, and updating of the Hankel matrix a predetermined number of times, thereby performing matrix interpolation.
(構成8)
構成1から構成7のいずれかにおいて、N個の反射素子は、各々が伝搬路の周波数応答が同じであるc(cは、1以上の整数)個のクラスタに分類される。c個のクラスタの各々に含まれる反射素子は、反射特性が同じになるように制御される。
(Configuration 8)
In any of the configurations 1 to 7, the N reflecting elements are classified into c (c is an integer equal to or greater than 1) clusters, each of which has the same frequency response of the propagation path. The reflecting elements included in each of the c clusters are controlled to have the same reflection characteristics.
(構成9)
構成1から構成8のいずれかにおいて、推定装置は、フィードバック手段を更に備える。フィードバック手段は、最適化手段によって最適化されたN個の反射素子の反射係数およびMT個のアンテナの送信重みをそれぞれIRSおよび送信機へフィードバックする。
(Configuration 9)
In any of configurations 1 to 8, the estimation apparatus further comprises a feedback means for feeding back the reflection coefficients of the N reflecting elements and the transmission weights of the M T antennas optimized by the optimization means to the IRS and the transmitter, respectively.
(構成10)
また、この発明の実施の形態によれば、無線通信システムは、構成1から構成9のいずれかに記載の推定装置を備える受信機と、送信機と、IRSとを備える。
(Configuration 10)
According to an embodiment of the present invention, a wireless communication system includes a receiver including the estimation device according to any one of configurations 1 to 9, a transmitter, and an IRS.
(構成11)
更に、この発明の実施の形態によれば、プログラムは、MT(MTは、2以上の整数)個のアンテナを有する送信機と、反射特性を動的に変更可能なN(Nは、2以上の整数)個の反射素子を有する電磁波反射体であるIRSと、MR(MRは、2以上の整数)個のアンテナを有する受信機とが非直線状に配置された無線通信空間において、送信機が受信機へ既知の信号であるパイロット信号を送信したとき、送信機と受信機との間の伝搬路の周波数応答の推定を受信機の推定装置においてコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
推定手段が、パイロット信号の受信信号を受けると、その受けた受信信号に基づいて、受信信号を受信した時点における伝搬路の周波数応答FQR_0を推定し、その推定した周波数応答FQR_0に基づいて、自己回帰モデルを用いて、受信機が受信信号を受信した時点から将来の時点であるG(Gは、1以上の整数であり、伝搬路の周波数応答を推定する時点の総数である。)個の時点における周波数応答であるG個の周波数応答FQR_1~FQR_Gを推定する推定処理を実行する第1のステップと、
最適化手段が、周波数応答FQR_0およびG個の周波数応答FQR_1~FQR_Gを用いて、N個の反射素子の反射係数とMT個のアンテナの送信重みとを最適化する最適化処理を実行する第2のステップとをコンピュータに実行させるためのプログラムである。
(Configuration 11)
Furthermore, according to an embodiment of the present invention, the program is a program for causing a computer to execute, in an estimation device of a receiver, estimation of a frequency response of a propagation path between a transmitter and a receiver when the transmitter transmits a pilot signal that is a known signal to the receiver in a wireless communication space in which a transmitter having M T (M T is an integer of 2 or more) antennas, an IRS that is an electromagnetic wave reflector having N (N is an integer of 2 or more) reflecting elements whose reflection characteristics can be dynamically changed, and a receiver having M R (M R is an integer of 2 or more) antennas are non-linearly arranged,
a first step of executing an estimation process in which, when an estimation means receives a received signal of a pilot signal, it estimates a frequency response FQR_0 of the propagation path at the time the received signal is received based on the received signal, and, based on the estimated frequency response FQR_0, it uses an autoregressive model to estimate G frequency responses FQR_1 to FQR_G which are frequency responses at G time points (G is an integer equal to or greater than 1 and is the total number of time points at which the frequency responses of the propagation path are estimated) that are future time points from the time the receiver receives the received signal;
a second step in which the optimization means performs an optimization process to optimize the reflection coefficients of the N reflecting elements and the transmission weights of the M T antennas using the frequency response FQR_0 and G frequency responses FQR_1 to FQR_G.
(構成12)
構成11において、推定手段は、第1のステップの推定処理において、推定した周波数応答FQR_0を周波数応答の初期値とし、初期値から第1番目の周波数応答FQR_1を推定すると、g(gは、1≦g≦(G-1)を満たす整数)番目の周波数応答FQR_gから(g+1)番目の周波数応答FQR_g+1を推定する推定処理をg=1~(G-1)の全てについて順次実行してG個の周波数応答FQR_1~FQR_Gを推定する。
(Configuration 12)
In configuration 11, in the estimation process of the first step, the estimation means sets the estimated frequency response FQR_0 as the initial value of the frequency response, and estimates the first frequency response FQR_1 from the initial value. Then, the estimation process of estimating the gth (g is an integer satisfying 1≦g≦(G−1)) frequency response FQR_g to the (g+1)th frequency response FQR_g+1 is sequentially executed for all g=1 to (G−1), thereby estimating G frequency responses FQR_1 to FQR_G.
(構成13)
構成12)において、周波数応答FQR_0およびg個の周波数応答FQR_1~FQR_gの各々は、電波が送信機から受信機へ直接到達するときの伝搬路である直接リンクの周波数応答を示す第1の周波数応答と、電波が送信機からIRSを経由して受信機へ到達するときの伝搬路である間接リンクの周波数応答を示す第2の周波数応答とからなり、周波数応答FQR_0の第1の周波数応答および第2の周波数応答の各々を初期値とする。推定手段は、第1のステップの推定処理において、推定した周波数応答FQR_0の第1の周波数応答の初期値から第1番目の第1の周波数応答を推定するとともに推定した周波数応答FQR_0の第2の周波数応答の初期値から第1番目の第2の周波数応答を推定すると、g番目の第1の周波数応答から(g+1)番目の第1の周波数応答を推定し、g番目の第2の周波数応答から(g+1)番目の第2の周波数応答を推定し、g番目の第1の周波数応答およびg番目の第2の周波数応答とからなるg番目の周波数応答FQR_gを推定するとともに(g+1)番目の第1の周波数応答および(g+1)番目の第2の周波数応答とからなる(g+1)番目の周波数応答FQR_g+1を推定する処理をg=1~(G-1)の全てについて順次実行してG個の周波数応答FQR_1~FQR_Gを推定する。
(Configuration 13)
In configuration 12), the frequency response FQR_0 and each of the g frequency responses FQR_1 to FQR_g consist of a first frequency response indicating the frequency response of a direct link, which is a propagation path when radio waves reach the receiver directly from the transmitter, and a second frequency response indicating the frequency response of an indirect link, which is a propagation path when radio waves reach the receiver from the transmitter via an IRS, and each of the first frequency response and the second frequency response of the frequency response FQR_0 is set to an initial value. In the estimation process of the first step, the estimation means estimates a first first frequency response from an initial value of the first frequency response of the estimated frequency response FQR_0 and estimates a first second frequency response from an initial value of the second frequency response of the estimated frequency response FQR_0, then estimates a (g+1)th first frequency response from the gth first frequency response, estimates a (g+1)th second frequency response from the gth second frequency response, estimates a gth frequency response FQR_g consisting of the gth first frequency response and the gth second frequency response, and estimates a (g+1)th frequency response FQR_g+1 consisting of the (g+1)th first frequency response and the (g+1)th second frequency response, and estimates G frequency responses FQR_1 to FQR_G by sequentially executing this process for all g=1 to (G−1).
(構成14)
構成11~構成13のいずれかにおいて、推定手段は、送信機が、MT個のアンテナのうちの1つのアンテナのみがパイロット信号の送信に用いられ、かつ、1つのアンテナ以外のアンテナがパイロット信号の送信に用いられないMT個のアンテナのアンテナパターンにパイロット信号を割り当てて送信するインデックス変調によって(N+1)MT個のパイロット信号を受信機へ順次送信したとき、第1のステップの推定処理において、1つのパイロット信号を受信するごとに、伝搬路の周波数応答を示す周波数応答行列の1つの列を推定する処理を周波数応答行列の全ての列について実行することによって周波数応答行列を推定し、その推定した周波数応答行列からなる周波数応答FQR_0を推定する。
(Configuration 14)
In any of configurations 11 to 13, when the transmitter sequentially transmits (N+1)M T pilot signals to the receiver by index modulation in which pilot signals are assigned to antenna patterns of the M T antennas, where only one antenna out of the M T antennas is used for transmitting the pilot signal and antennas other than the one antenna are not used for transmitting the pilot signal, the estimation means estimates a frequency response matrix by executing a process of estimating one column of a frequency response matrix indicating the frequency response of a propagation path for all columns of the frequency response matrix, each time one pilot signal is received, and estimates a frequency response FQR_0 consisting of the estimated frequency response matrix, in the estimation process of the first step.
(構成15)
構成14において、インデックス変調による(N+1)MT個のパイロット信号の送信は、送信機が、インデックス変調におけるMT個のアンテナのアンテナパターンを(N+1)MT個のアンテナパターンに順次変えて(N+1)MT個のパイロット信号を順次送信することによって実行される。
(Configuration 15)
In configuration 14, transmission of (N+1)MT pilot signals by index modulation is performed by the transmitter sequentially changing the antenna patterns of the MT antennas in the index modulation to (N+1) MT antenna patterns and sequentially transmitting the (N+1) MT pilot signals.
(構成16)
構成14または構成15において、推定手段は、第1のステップの推定処理において、推定した周波数応答行列に対して周波数応答行列の要素間を補間する行列補間を実行し、行列補間後の周波数応答行列を周波数応答FQR_0として推定する。
(Configuration 16)
In configuration 14 or 15, the estimation means performs matrix interpolation on the estimated frequency response matrix in the estimation process of the first step, interpolating between elements of the frequency response matrix, and estimates the frequency response matrix after matrix interpolation as the frequency response FQR_0.
(構成17)
構成16において、推定手段は、第1のステップの推定処理において、推定した周波数応答行列からハンケル行列を生成し、その生成したハンケル行列を特異値分解して第1および第2の行列の積に分解し、第1の行列の更新、第2の行列の更新およびハンケル行列の更新を所定回数実行することによって行列補間を実行する。
(Configuration 17)
In configuration 16, the estimation means generates a Hankel matrix from the estimated frequency response matrix in the first step of estimation processing, decomposes the generated Hankel matrix into a product of a first and a second matrix by singular value decomposition, and performs updating of the first matrix, updating of the second matrix, and updating of the Hankel matrix a predetermined number of times, thereby performing matrix interpolation.
(構成18)
構成11から構成17のいずれかにおいて、N個の反射素子は、各々が伝搬路の周波数応答が同じであるc(cは、1以上の整数)個のクラスタに分類される。c個のクラスタの各々に含まれる反射素子は、反射特性が同じになるように制御される。
(Configuration 18)
In any of configurations 11 to 17, the N reflecting elements are grouped into c (c is an integer equal to or greater than 1) clusters, each of which has the same frequency response of the propagation path. The reflecting elements included in each of the c clusters are controlled to have the same reflection characteristics.
(構成19)
構成11から構成18のいずれかにおいて、プログラムは、フィードバック手段が、最適化手段によって最適化されたN個の反射素子の反射係数およびMT個のアンテナの送信重みをそれぞれIRSおよび送信機へフィードバックする第3のステップを更にコンピュータに実行させる。
(Configuration 19)
In any of configurations 11 to 18, the program further causes the computer to execute a third step in which a feedback means feeds back the reflection coefficients of the N reflecting elements and the transmission weights of the M T antennas optimized by the optimization means to the IRS and the transmitter, respectively.
送信機と受信機との間の伝搬路の推定時刻と送信時刻とのラグによる乖離を抑圧できる。 This can suppress the discrepancy caused by the lag between the estimated time of the propagation path between the transmitter and receiver and the transmission time.
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that identical or corresponding parts in the drawings will be designated by the same reference numerals, and their description will not be repeated.
[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1による無線通信システムの概略図である。図1を参照して、この発明の実施の形態1による無線通信システム10は、送信機1と、IRS2と、受信機3とを備える。受信機3は、推定装置4を備える。
[First Embodiment]
Fig. 1 is a schematic diagram of a wireless communication system according to embodiment 1 of the present invention. Referring to Fig. 1, a wireless communication system 10 according to embodiment 1 of the present invention includes a transmitter 1, an IRS 2, and a receiver 3. The receiver 3 includes an estimation device 4.
送信機1、IRS2および受信機3は、無線通信空間に配置される。そして、送信機1、IRS2および受信機3は、配列[送信機1-IRS2-受信機3]が直線上に無い位置に配置される。より具体的には、送信機1とIRS2とを結ぶ直線をL1とし、IRS2と受信機3とを結ぶ直線をL2としたとき、直線L1と直線L2との成す角αが0よりも大きくなるように、送信機1、IRS2および受信機3が配置される。つまり、送信機1、IRS2および受信機3は、無線通信空間において非直線状に配置される。 Transmitter 1, IRS 2, and receiver 3 are arranged in a wireless communication space. Transmitter 1, IRS 2, and receiver 3 are arranged in a position where the arrangement [Transmitter 1 - IRS 2 - Receiver 3] is not on a straight line. More specifically, if the line connecting Transmitter 1 and IRS 2 is L1 and the line connecting IRS 2 and receiver 3 is L2, Transmitter 1, IRS 2, and receiver 3 are arranged so that the angle α formed by lines L1 and L2 is greater than 0. In other words, Transmitter 1, IRS 2, and receiver 3 are arranged non-linearly in the wireless communication space.
送信機1は、MT(MTは、2以上の整数)個のアンテナを有し、受信機3は、MR(MRは、2以上の整数)個のアンテナを有する。そして、MTは、MRと同じであってもよく、MRと異なっていてもよい。 The transmitter 1 has M T (M T is an integer equal to or greater than 2) antennas, and the receiver 3 has M R (M R is an integer equal to or greater than 2) antennas. M T may be the same as or different from M R.
このように、送信機1および受信機3は、複数のアンテナを有するので、無線通信システム10は、MIMO(multiple-input and multiple-output)伝送によって信号を送受信する。 As such, since the transmitter 1 and receiver 3 have multiple antennas, the wireless communication system 10 transmits and receives signals using MIMO (multiple-input and multiple-output) transmission.
IRS2は、N(Nは、2以上の整数)個の反射素子21とIRSコントローラ22とを備える。N個の反射素子21は、例えば、碁盤目状に配置される。即ち、N個の反射素子21は、等間隔に配置される。 The IRS 2 includes N (N is an integer greater than or equal to 2) reflective elements 21 and an IRS controller 22. The N reflective elements 21 are arranged, for example, in a grid pattern. In other words, the N reflective elements 21 are arranged at equal intervals.
送信機1は、MT個のアンテナを用いて信号を送信する。IRS2において、IRSコントローラ22は、N個の反射素子21の反射係数を制御することによってN個の反射素子21による電波の反射角度および位相を制御する。そして、N個の反射素子21は、送信機1から入射した電波を受信機3の方向へ反射する。これによって、N個の反射素子21によって反射された電波は、受信機3へ到達する。 The transmitter 1 transmits a signal using M T antennas. In the IRS 2, the IRS controller 22 controls the reflection coefficients of the N reflecting elements 21 to control the reflection angle and phase of the radio waves by the N reflecting elements 21. The N reflecting elements 21 then reflect the radio waves incident from the transmitter 1 toward the receiver 3. As a result, the radio waves reflected by the N reflecting elements 21 reach the receiver 3.
受信機3は、送信機1から送信された電波を受信する。無線通信システム10においては、送信機1と受信機3との間の伝搬路は、送信機1からの電波が受信機3へ直接到達する直接リンクと、送信機1からの電波がIRS2を経由して受信機3へ到達する間接リンクとからなる。 Receiver 3 receives radio waves transmitted from transmitter 1. In wireless communication system 10, the propagation path between transmitter 1 and receiver 3 consists of a direct link, in which radio waves from transmitter 1 reach receiver 3 directly, and an indirect link, in which radio waves from transmitter 1 reach receiver 3 via IRS 2.
送信機1と受信機3との間に障害物OBTが存在しない場合、受信機3は、直線リンクと間接リンクとを用いて、送信機1から送信された電波を受信する。 If there is no obstacle OBT between transmitter 1 and receiver 3, receiver 3 receives radio waves transmitted from transmitter 1 using a direct link and an indirect link.
一方、送信機1と受信機3との間に障害物OBTが存在する場合、受信機3は、間接リンクを用いて、送信機1から送信された電波を受信する。 On the other hand, if an obstacle OBT exists between transmitter 1 and receiver 3, receiver 3 receives the radio waves transmitted from transmitter 1 using an indirect link.
従って、無線通信システム10においては、送信機1と受信機3との間に障害物OBTが存在しても、IRS2を経由することによって、送信機1から受信機3へ電波を送信することができる。 Therefore, in the wireless communication system 10, even if an obstacle OBT exists between the transmitter 1 and the receiver 3, radio waves can be transmitted from the transmitter 1 to the receiver 3 by passing through the IRS 2.
そして、この発明の実施の形態においては、高周波帯でのIRSの利用を想定し、周波数選択フェージングに対して頑健なOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing、直交波周波数分割多重)伝送を行う。 In this embodiment of the invention, we assume the use of IRS in high frequency bands and perform OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) transmission, which is robust against frequency selective fading.
無線通信システム10において、送信機1から受信機3までの伝搬路を推定する場合、送信機1は、既知の信号であるパイロット信号をOFDM伝送によって送信する。 In a wireless communication system 10, when estimating the propagation path from the transmitter 1 to the receiver 3, the transmitter 1 transmits a pilot signal, which is a known signal, via OFDM transmission.
そして、受信機3は、送信機1から送信されたパイロット信号を受信し、その受信したパイロット信号の受信信号y(t)を検出する。 Then, receiver 3 receives the pilot signal transmitted from transmitter 1 and detects the received signal y(t) of that pilot signal.
受信機3がパイロット信号の受信信号y(t)を検出すると、受信機3において、推定装置4は、受信信号y(t)に基づいて、後述する方法によって、受信機3が受信信号y(t)を受信したときの時点t0における送信機1と受信機3との間の伝搬路の周波数応答FQR_0を推定する。 When the receiver 3 detects the received signal y(t) of the pilot signal, an estimation device 4 in the receiver 3 estimates the frequency response FQR_0 of the propagation path between the transmitter 1 and the receiver 3 at the time t0 when the receiver 3 receives the received signal y(t) based on the received signal y(t) using a method described below.
そして、推定装置4は、その推定した周波数応答FQR_0を用いて、後述する方法によって、時点t0から将来の時点であるG(Gは、1以上の整数であり、伝搬路の周波数応答を推定する時点の総数である。)個の時点t1~tGにおける伝搬路のG個の周波数応答FQR_1~FQR_Gを推定する。 Then, using the estimated frequency response FQR_0, the estimation device 4 estimates G frequency responses FQR_1 to FQR_G of the propagation path at G future points in time from point in time t0 to point in time tG (G is an integer equal to or greater than 1 and is the total number of points in time at which the frequency responses of the propagation path are to be estimated) by a method described below .
その後、推定装置4は、推定した周波数応答FQR_0およびG個の周波数応答FQR_1~FQR_Gを用いて、後述する方法によって、時点t0~tGにおけるN個の反射素子21のN個の反射係数θと送信機1のMT個のアンテナの送信重みWとを最適化する。そして、推定装置4は、受信機3の通信機能を用いて、最適化したN個の反射素子21のN個の反射係数θをIRS2のIRSコントローラ22へフィードバックするとともに、MT個のアンテナの送信重みWを送信機1へフィードバックする。 Thereafter, using the estimated frequency response FQR_0 and the G frequency responses FQR_1 to FQR_G, the estimation device 4 optimizes the N reflection coefficients θ of the N reflecting elements 21 and the transmission weights W of the M T antennas of the transmitter 1 at times t 0 to t G by a method described below. Then, using the communication function of the receiver 3, the estimation device 4 feeds back the optimized N reflection coefficients θ of the N reflecting elements 21 to the IRS controller 22 of the IRS 2, and also feeds back the transmission weights W of the M T antennas to the transmitter 1.
送信機1は、MT個のアンテナの送信重みWを推定装置4から受信し、その受信したMT個のアンテナの送信重みWを用いてMIMO伝送によって信号を送信する。 The transmitter 1 receives the transmission weights W for the M T antennas from the estimation device 4, and transmits signals by MIMO transmission using the received transmission weights W for the M T antennas.
IRSコントローラ22は、N個の反射素子21のN個の反射係数θを推定装置4から受信し、その受信したN個の反射素子21のN個の反射係数θに基づいてN個の反射素子21のN個の反射係数を制御してN個の反射素子21による電波の反射角度および位相を制御する。 The IRS controller 22 receives the N reflection coefficients θ of the N reflecting elements 21 from the estimation device 4, and controls the N reflection coefficients of the N reflecting elements 21 based on the received N reflection coefficients θ of the N reflecting elements 21 to control the reflection angle and phase of the radio waves by the N reflecting elements 21.
図2は、図1に示す受信機3の概略図である。図2を参照して、受信機3は、アンテナ31と、通信手段32と、推定装置4とを備える。推定装置4は、推定手段41と、最適化手段42とを備える。 Figure 2 is a schematic diagram of the receiver 3 shown in Figure 1. Referring to Figure 2, the receiver 3 includes an antenna 31, communication means 32, and an estimation device 4. The estimation device 4 includes estimation means 41 and optimization means 42.
アンテナ31は、MR個のアンテナからなる。通信手段32は、アンテナ31を介して、パイロット信号の受信信号y(t)を受信し、その受信したパイロット信号の受信信号y(t)を推定装置4の推定手段41へ出力する。 The antenna 31 consists of M R antennas. The communication means 32 receives a received signal y(t) of a pilot signal via the antenna 31 and outputs the received signal y(t) of the pilot signal to the estimation means 41 of the estimation device 4.
通信手段32は、時点t0~tGにおいて最適化されたN個の反射素子21の反射係数RLT_0~RLT_Gと送信機1のMT個のアンテナの送信重みW_0~W_Gとを推定装置4の最適化手段42から受ける。そして、通信手段32は、アンテナ31を介して、MT個のアンテナの送信重みW_0~W_Gを送信機1へ送信し、N個の反射素子21の反射係数RLT_0~RLT_GをIRSコントローラ22へ送信する。 The communication means 32 receives the reflection coefficients RLT_0 to RLT_G of the N reflecting elements 21 optimized at times t 0 to t G and the transmission weights W_0 to W_G of the M T antennas of the transmitter 1 from the optimization means 42 of the estimation device 4. Then, the communication means 32 transmits the transmission weights W_0 to W_G of the M T antennas to the transmitter 1 via the antenna 31, and transmits the reflection coefficients RLT_0 to RLT_G of the N reflecting elements 21 to the IRS controller 22.
推定手段41は、パイロット信号の受信信号y(t)を通信手段32から受け、その受けたパイロット信号の受信信号y(t)に基づいて、後述する方法によって、時点t0における周波数応答FQR_0を推定し、その推定した周波数応答FQR_0を用いて、それぞれ、時点t1~tGにおけるG個の周波数応答FQR_1~FQR_Gを推定する。そして、推定手段41は、その推定した周波数応答FQR_0およびG個の周波数応答FQR_1~FQR_Gを最適化手段42へ出力する。 The estimation means 41 receives a received pilot signal y(t) from the communication means 32, estimates a frequency response FQR_0 at time t0 based on the received pilot signal y(t) by a method described later, and uses the estimated frequency response FQR_0 to estimate G frequency responses FQR_1 to FQR_G at times t1 to tG . The estimation means 41 then outputs the estimated frequency response FQR_0 and the G frequency responses FQR_1 to FQR_G to the optimization means 42.
最適化手段42は、周波数応答FQR_0およびG個の周波数応答FQR_1~FQR_Gを推定手段41から受け、その受けた周波数応答FQR_0およびG個の周波数応答FQR_1~FQR_Gを用いて、後述する方法によって、時点t0,t1~tGにおけるN個の反射素子21のN個の反射係数θと送信機1のMT個のアンテナの送信重みWとを最適化する。そして、最適化手段42は、最適化したN個の反射素子21の反射係数RLT_0,RLT_1~RLT_GおよびMT個のアンテナの送信重みW_0,W_1~W_Gを通信手段32へ出力する。 The optimization means 42 receives the frequency response FQR_0 and the G frequency responses FQR_1 to FQR_G from the estimation means 41, and uses the received frequency response FQR_0 and the G frequency responses FQR_1 to FQR_G to optimize the N reflection coefficients θ of the N reflecting elements 21 and the transmission weights W of the M T antennas of the transmitter 1 at times t 0 , t 1 to t G by a method described later. The optimization means 42 then outputs the optimized reflection coefficients RLT_0, RLT_1 to RLT_G of the N reflecting elements 21 and the transmission weights W_0, W_1 to W_G of the M T antennas to the communication means 32.
図3は、パイロット信号を送信する概念図である。図3を参照して、送信機1は、送信機1におけるMT個のアンテナと受信機3におけるMR個のアンテナとの組合せの個数である(MT×MR)個のパイロット信号をOFDM伝送によって送信する。この場合、(MT×MR)個のパイロット信号の各々は、OFDM変調によって変調されている。 3 is a conceptual diagram of transmitting pilot signals. Referring to FIG. 3, a transmitter 1 transmits (M T ×M R ) pilot signals, which is the number of combinations of M T antennas at the transmitter 1 and M R antennas at the receiver 3, by OFDM transmission. In this case, each of the (M T ×M R ) pilot signals is modulated by OFDM modulation.
図4は、伝搬路の周波数応答の推定時における送信機1、IRS2および受信機3の動作を示すタイミングチャートである。 Figure 4 is a timing chart showing the operation of transmitter 1, IRS 2, and receiver 3 when estimating the frequency response of the propagation path.
図4を参照して、送信機1は、パイロット信号の送信をIRS2に通知する。そして、送信機1は、期間PD_1において、パイロット信号x(1),x(1),・・・,x(MT)を順次送信する。 4, the transmitter 1 notifies the IRS 2 of the transmission of a pilot signal. Then, the transmitter 1 sequentially transmits pilot signals x(1), x(1), ..., x(M T ) in a period PD_1.
送信機1は、期間PD_1の後、期間PD_2~PD_MRのそれぞれにおいて、パイロット信号x(1),x(1),・・・,x(MT)を順次送信する。これによって、送信機1は、(MT×MR)個のパイロット信号を送信する。 After the period PD_1, the transmitter 1 sequentially transmits pilot signals x(1), x(1), ..., x(M T ) in each of the periods PD_2 to PD_M R. In this way, the transmitter 1 transmits (M T ×M R ) pilot signals.
IRS2は、期間PD_1において、パイロット信号x(1),x(1),・・・,x(MT)が順次送信されると、N個の反射素子21のN個の反射係数のモードをモードΩ(1)に設定し、期間PD_2~PD_MRのそれぞれにおいて、パイロット信号x(1),x(1),・・・,x(MT)が順次送信されると、N個の反射素子21のN個の反射係数のモードをそれぞれモードΩ(2)~Ω(N+1)に設定する。 When pilot signals x(1), x(1), ..., x(M T ) are transmitted sequentially during period PD_1, IRS2 sets the modes of the N reflection coefficients of the N reflecting elements 21 to mode Ω(1), and when pilot signals x(1), x(1), ..., x(M T ) are transmitted sequentially during each of periods PD_2 to PD_M R , IRS2 sets the modes of the N reflection coefficients of the N reflecting elements 21 to modes Ω(2) to Ω(N+1), respectively.
受信機3が期間PD_1~PD_MRにおいて送信された(MT×MR)個のパイロット信号の(MT×MR)個の受信信号y(t)を検出すると、受信機3において、推定装置4は、(MT×MR)個の受信信号y(t)に基づいて、後述する方法によって、時点t0における周波数応答FQR_0を推定し、その推定した周波数応答FQR_0を用いて、G個の時点t1~tGにおけるG個の周波数応答FQR_1~FQR_Gを推定して周波数応答HD,DCの推定を完了する。なお、周波数応答HDは、送信機1と受信機3との間の直接リンクにおける周波数応答であり、周波数応答HCは、送信機1と受信機3との間の間接リンクにおける周波数応答である。 When receiver 3 detects (M T ×M R ) received signals y(t) of (M T ×M R ) pilot signals transmitted during periods PD_1 to PD_M R , estimation device 4 in receiver 3 estimates frequency response FQR_0 at time point t 0 based on the (M T ×M R ) received signals y(t) by a method described later, and uses the estimated frequency response FQR_0 to estimate G frequency responses FQR_1 to FQR_G at G times t 1 to tG , thereby completing estimation of frequency responses H D and D C. Note that frequency response H D is the frequency response of the direct link between transmitter 1 and receiver 3, and frequency response H C is the frequency response of the indirect link between transmitter 1 and receiver 3.
この発明の実施の形態においては、送信機1と受信機3との間の伝搬路の周波数応答を推定するトレーニング期間における送信機1のアンテナの個数、OFDMシンボル長および反射素子の個数の具体例は、無線通信システムがIEEE802.11n(Wi-Fi)である場合、例えば、それぞれ、送信機1のアンテナの個数(最大)=4、OFDMシンボル長(帯域幅:20MHz)=4μs、および反射素子の個数=100である。 In an embodiment of the present invention, specific examples of the number of antennas, OFDM symbol length, and number of reflecting elements of transmitter 1 during the training period for estimating the frequency response of the propagation path between transmitter 1 and receiver 3, when the wireless communication system is IEEE802.11n (Wi-Fi), are, for example, the number of antennas (maximum) of transmitter 1 = 4, OFDM symbol length (bandwidth: 20 MHz) = 4 μs, and the number of reflecting elements = 100, respectively.
実施の形態1において、送信機1と受信機3との間の伝搬路の周波数応答を推定する方法について説明する。 In embodiment 1, we will explain a method for estimating the frequency response of the propagation path between transmitter 1 and receiver 3.
[受信信号y(t)の受信時t0における伝搬路の周波数応答の推定]
受信信号y(t)の観測中に伝搬路の変動が無いと仮定(周波数応答Hに(t)が付かないと仮定)し、送信機1におけるビームフォーミングを行わないので、送信機1における送信重みWを省略すると、受信信号y(t)は、次式によって表わされる。
[Estimation of the frequency response of the propagation path at the time t0 when the received signal y(t) is received]
Assuming that there is no variation in the propagation path while observing the received signal y(t) (assuming that the frequency response H does not have (t)), and since beamforming is not performed in the transmitter 1, if the transmission weight W in the transmitter 1 is omitted, the received signal y(t) can be expressed by the following equation.
式(1)において、Θは、N個の反射素子21のN個の反射係数を示す行列であり、n(t)は、加法性複素白色雑音を表わす。 In equation (1), Θ is a matrix representing the N reflection coefficients of the N reflecting elements 21, and n(t) represents additive complex white noise.
受信信号y(t)をMT個観測し、その観測したMT個の受信信号y(t)を並べると、次式が得られる。 When M T received signals y(t) are observed and the M T observed received signals y(t) are arranged, the following equation is obtained.
そして、式(2)において、X(t)の逆行列を右からY(t)に乗算すると、次式が得られる。 Then, in equation (2), if we multiply Y(t) by the inverse matrix of X(t) from the right, we obtain the following equation:
なお、式(3)の最終行において、Hは、直接リンクにおける周波数応答HDと間接リンクにおける周波数応答HCとを含む[HD HC]からなり、Ωは、単位行列IとΘ(N個の反射素子21の反射係数行列)とが縦に配列された行列からなる。 In the last line of equation (3), H consists of [H D H C ], which includes the frequency response H D in the direct link and the frequency response H C in the indirect link, and Ω consists of a matrix in which an identity matrix I and Θ (the reflection coefficient matrix of N reflecting elements 21) are arranged vertically.
そして、N個の反射素子21のモードを切り替えると(即ち、N個の反射素子21のN個の反射係数のパターンを切り替えると)、次式が得られる。 Then, when the modes of the N reflecting elements 21 are switched (i.e., when the patterns of the N reflection coefficients of the N reflecting elements 21 are switched), the following equation is obtained:
但し、式(4)においては、t=iMTの関係を満たす。その結果、tは、図4に示す期間PD_1~PD_MRのそれぞれにおいてx(1)~x(MT)が送信されるタイミングを表わし、t=iMTにおける“i”は、図4に示すΩ(1)~Ω(N+1)を表わす。 However, in equation (4), the relationship t = iMT is satisfied. As a result, t represents the timing at which x(1) to x( MT ) are transmitted in each of the periods PD_1 to PD_MR shown in Fig. 4, and "i" in t = iMT represents Ω(1) to Ω(N+1) shown in Fig. 4.
式(4)のG(i)をN+1個観測し、N個のG(i)を並べると、次式が得られる。 By observing N+1 G(i)s in equation (4) and arranging the N G(i)s, we obtain the following equation.
そして、式(5)のgにRの逆行列を右側から掛けると、次式が得られる。 Then, if we multiply g in equation (5) by the inverse matrix of R on the right, we get the following equation:
式(5)によれば、Rは、[Ω(1)・・・Ω(N+1)]からなり、[Ω(1)・・・Ω(N+1)]は、N個の反射素子21のN+1個の反射係数のモード(即ち、N+1個の反射係数のパターン)からなるので、既知である。従って、Rの逆行列を算出することができる。 According to equation (5), R consists of [Ω(1)...Ω(N+1)], which is known because it consists of N+1 modes of reflection coefficients (i.e., patterns of N+1 reflection coefficients) of N reflecting elements 21. Therefore, the inverse matrix of R can be calculated.
また、式(3)のG(t)=Y(t)X-1(t)によって式(6)のgを算出することができ、Y(t)は、受信機3がパイロット信号を受信したときの受信信号であるので、既知であり、X(t)は、送信機1による送信信号であるので、既知である。その結果、式(6)の“gR-1”を算出することができる。 Furthermore, g in equation (6) can be calculated using G(t) = Y(t)X -1 (t) in equation (3), where Y(t) is known because it is the signal received when the receiver 3 receives the pilot signal, and X(t) is known because it is the signal transmitted by the transmitter 1. As a result, "gR -1 " in equation (6) can be calculated.
更に、この発明の実施の形態においては、「伝搬路の変動量が雑音電力よりも十分大きい(信号対雑音比SNが高い)」ことを想定している。この場合、式(6)の“N”を無視でき、式(6)におけるHD,HCを、それぞれ、HD≒[HD]^(HDのハット)およびHC≒[HC]^(HCのハット)として式(6)におけるHD,HCを高精度に推定できる。従って、以下においては、周波数応答Hの推定値を表わす場合も“H”と表記する。 Furthermore, in the embodiment of the present invention, it is assumed that "the amount of fluctuation in the propagation path is sufficiently larger than the noise power (the signal-to-noise ratio SN is high)." In this case, "N" in equation (6) can be ignored, and H D and H C in equation (6) can be estimated with high accuracy by setting H D ≒ [H D ]^ (the hat of H D ) and H C ≒ [H C ] ^ (the hat of HC ), respectively. Therefore, hereinafter, the estimated value of the frequency response H will also be represented as "H."
このように、式(6)の“N”を無視できるので、gR-1およびNR-1を算出することによって、式(6)を用いて、周波数応答HD,HCを独立して求めることができる。周波数応答HDは、送信機1と受信機3との間の直接リンクにおける周波数応答であり、周波数応答HCは、送信機1と受信機3との間の間接リンクにおける周波数応答である。 In this way, since "N" in equation (6) can be ignored, by calculating gR -1 and NR -1 , the frequency responses H D and H C can be independently determined using equation (6). The frequency response H D is the frequency response of the direct link between the transmitter 1 and the receiver 3, and the frequency response H C is the frequency response of the indirect link between the transmitter 1 and the receiver 3.
その結果、上述した式(1)~式(6)を用いて、受信信号y(t)の受信時t0における送信機1と受信機3との間の伝搬路の周波数応答[HD HC](=FQR_0)を推定することができる。 As a result, using the above-mentioned equations (1) to (6), it is possible to estimate the frequency response [H D H C ] (=FQR_0) of the propagation path between the transmitter 1 and the receiver 3 at the time t 0 when the received signal y(t) is received.
推定装置4の推定手段41は、受信信号y(t)を受けると、その受けた受信信号y(t)に基づいて、式(1)~式(6)によって、受信時t0における伝搬路の周波数応答[HD HC]を推定する。 When the estimation means 41 of the estimation device 4 receives the received signal y(t), it estimates the frequency response [H D H C ] of the propagation path at the time of reception t 0 based on the received signal y(t) using equations (1) to (6).
[受信時t0から将来の時点における伝搬路の周波数応答の推定]
MT個のアンテナの全てから送信される第kサブキャリアの送信シンボルをx(k)∈CMTとすると、受信信号y(k)は、次式によって表わされる。
[Estimation of the frequency response of the propagation path from the reception time t0 to a future time point]
If the transmission symbol of the k-th subcarrier transmitted from all of the M T antennas is x(k)εC M T , the received signal y(k) is expressed by the following equation.
式(7)において、サブキャリアkの総数は、Kである。そして、伝搬路による遅延は、ガードインターバルを超えないものとする。また、H(k)∈CMR×MTは、第kサブキャリアの周波数応答を表わす伝搬路行列であり、行および列が、それぞれ、受信アンテナと送信アンテナとに対応する。更に、n(k)は、平均0、分散σ2の加法性複素白色雑音を表わす。 In equation (7), the total number of subcarriers k is K. The delay due to the propagation path is assumed not to exceed the guard interval. Furthermore, H(k)∈C MR×MT is a propagation path matrix representing the frequency response of the kth subcarrier, where the rows and columns correspond to the receiving antenna and the transmitting antenna, respectively. Furthermore, n(k) represents additive complex white noise with a mean of 0 and a variance of σ 2 .
そして、式(7)に示す伝搬路行列の要素は、送信機1から受信機3に直接到達する直接リンクの成分とIRS2を経由する間接リンクの成分とに、次式のように分解することができる。 The elements of the propagation path matrix shown in equation (7) can be decomposed into the direct link component that reaches receiver 3 directly from transmitter 1 and the indirect link component that passes through IRS 2, as shown in the following equation:
式(8)において、右辺の第1項は、直接リンクに対応し、第2項がIRS2を経由する間接リンクに対応している。 In equation (8), the first term on the right-hand side corresponds to the direct link, and the second term corresponds to the indirect link via IRS2.
そして、hD mR,mT(k)は、第mT送信アンテナから第mR受信アンテナへの第kサブキャリアの周波数応答を表わし、hIU mR,n(k)は、IRS2の第n素子から第mR受信アンテナへの第kサブキャリアの周波数応答を表わし、hBI n,mT(k)は、第mT送信アンテナからIRS2の第n素子への第kサブキャリアの周波数応答を表わす。 Then, h D mR,mT (k) represents the frequency response of the kth subcarrier from the mth T transmitting antenna to the mth R receiving antenna, h IU mR,n (k) represents the frequency response of the kth subcarrier from the nth element of IRS2 to the mth R receiving antenna, and h BI n,mT (k) represents the frequency response of the kth subcarrier from the mth T transmitting antenna to the nth element of IRS2.
また、θnは、IRS2の第n素子における反射係数を表わす。更に、これらをベクトルの形でまとめて、hIU mR(k)=[hIU mR,1(k),・・・,hIU mR,N(k)]T,hBI mT(k)=[hBI 1,mT(k),・・・,hBI N,mT(k)]T,θ=[θ1,・・・,θN]Tと定義する。この定義において、“T”は、転置を表す。 Furthermore, θ n represents the reflection coefficient at the nth element of IRS 2. Furthermore, these are collected in vector form and defined as h IU mR (k) = [h IU mR,1 (k), ..., h IU mR,N (k)] T , h BI mT (k) = [h BI 1,mT (k), ..., h BI N,mT (k)] T , θ = [θ 1 , ..., θ N ] T. In this definition, "T" represents transpose.
また、送信機1からIRS2、およびIRS2から受信機3のチャネルが重畳したチャネルをカスケードチャネルと呼び、その周波数応答をhIU mR(k)とhBI mT(k)のアダマール積として式(9)のように得られる。 Furthermore, the channel in which the channels from transmitter 1 to IRS 2 and from IRS 2 to receiver 3 are superimposed is called a cascaded channel, and its frequency response is obtained as the Hadamard product of h IU mR (k) and h BI mT (k) as shown in equation (9).
式(8)を式(7)に代入すると、次式が得られる。 Substituting equation (8) into equation (7) gives the following equation:
式(10)におけるHD(k)は、次式によって表わされる。 H D (k) in equation (10) is expressed by the following equation.
また、式(10)におけるHC(k)は、次式によって表わされる。 Furthermore, H C (k) in equation (10) is expressed by the following equation.
更に、式(10)におけるΘは、次式によって表わされる。 Furthermore, Θ in equation (10) is expressed by the following equation:
この発明の実施の形態においては、伝搬路の周波数応答が過去のP(Pは、1以上の整数である)個の線形結合によって表現できると仮定する(非特許文献7)。従って、伝搬路の周波数応答の周波数応答行列の時系列をARモデル(Autoregressive model)、即ち、自己回帰モデルとして次式のように表す。 In this embodiment of the present invention, it is assumed that the frequency response of a propagation path can be expressed as a linear combination of P past data (P is an integer equal to or greater than 1) (Non-Patent Document 7). Therefore, the time series of the frequency response matrix of the frequency response of the propagation path is expressed as an AR model (autoregressive model), i.e., an autoregressive model, as shown in the following equation.
なお、以下では、カスケードチャネル(送信機1からIRS2を経由した受信機3への伝搬路の周波数応答)についてのみ説明するが、送信機1から受信機3への直接リンクについても同様である。 Note that the following will only describe the cascade channel (the frequency response of the propagation path from transmitter 1 to receiver 3 via IRS 2), but the same applies to the direct link from transmitter 1 to receiver 3.
式(14)において、hC mR,mT,n(k,t)は、カスケードチャネルhC mR,mT(k)の第n番目の要素であり、Pは、AR次数であり、tは、時刻を表すインデックスであり、ε(t)は、ARモデルの当てはめの誤差を表わす雑音項である。 In equation (14), h C mR,mT,n (k, t) is the n-th element of the cascaded channel h C mR,mT (k), P is the AR order, t is an index representing time, and ε(t) is a noise term representing the error in fitting the AR model.
AR係数(回帰係数)apを求めることによって、過去のチャネル推定値(式(14)の右辺)から将来時刻におけるチャネル推定値(式(14)の左辺)の推定が可能となる。AR係数は、次式のYule-Walker方程式を解くことによって推定できる。 By calculating the AR coefficient (regression coefficient) a p , it becomes possible to estimate the channel estimation value at a future time (the left side of equation (14)) from the past channel estimation value (the right side of equation (14)). The AR coefficient can be estimated by solving the following Yule-Walker equation.
式(15)において、γ^(p)は、hC mR,mT,n(k)の標本自己共分散であり、次式によって表わされる。なお、“γ^(p)”の表記は、式(15)に示すように、“^”がγの上に配置されていることを表わす。 In equation (15), γ^(p) is the sample autocovariance of h C mR,mT,n (k) and is expressed by the following equation: Note that the notation "γ^(p)" indicates that "^" is placed above γ, as shown in equation (15).
式(16)において、“*”は、複素共役を表わす。式(16)におけるμは、次式によって表わされる。 In equation (16), "*" represents a complex conjugate. μ in equation (16) is expressed by the following equation:
式(17)において、Tは、学習サンプル数である。 In equation (17), T is the number of training samples.
式(15)を解くことによって、AR係数の推定値a^pを得る。なお、“a^p”の表記は、“^”がaの上に配置されていることを表わす。このAR係数の推定値a^pと過去のチャネル推定値とから、現在時刻におけるチャネルの予測値を次式のように表現できる。 By solving equation (15), the estimated value of the AR coefficient a^ p is obtained. Note that the notation "a^ p " indicates that "^" is placed above the a. From this estimated value of the AR coefficient a^ p and the past channel estimation value, the predicted value of the channel at the current time can be expressed as follows:
式(18)は、カスケードチャネルについての現在時刻におけるチャネルの予測値を表わすが、カスケードチャネルについての式(14),(16),(17)を直接リンクにおけるチャネルについて示すと、式(19),(20),(21)のようになる。 Equation (18) represents the predicted channel value at the current time for the cascaded channel, but when equations (14), (16), and (17) for the cascaded channel are expressed for the channel in the direct link, they become equations (19), (20), and (21).
そして、直接リンクにおけるチャネルについて、AR係数apを求めるとき、式(15),(20),(21)が用いられる。 Then, when calculating the AR coefficient a p for the channel in the direct link, equations (15), (20), and (21) are used.
AR係数apを求めることによって、直接リンクについて、現在時刻におけるチャネルの予測値を次式のように実現できる。 By finding the AR coefficient a p , a prediction of the channel at the current time for the direct link can be realized as follows:
また、将来の複数の時刻(複数の時点)における伝搬路の周波数応答を推定する場合、カスケードチャネルの周波数応答については、式(18)によって得られた予測値を式(18)の右辺の観測値の代用とし、式(18)による推定を逐次的に計算することによって、任意の将来時刻(将来時点)における推定が可能となる。 Furthermore, when estimating the frequency response of a propagation path at multiple future times (multiple time points), the predicted value obtained by equation (18) for the frequency response of a cascaded channel is substituted for the observed value on the right-hand side of equation (18), and estimation by equation (18) is sequentially calculated, thereby making it possible to estimate the frequency response at any future time (future point in time).
また、同様に、直接リンクにおけるチャネルの周波数応答については、式(22)によって得られた予測値を式(22)の右辺の観測値の代用とし、式(22)による推定を逐次的に計算することによって、任意の将来時刻(将来時点)における推定が可能となる。 Similarly, for the frequency response of the channel in the direct link, the predicted value obtained by equation (22) is substituted for the observed value on the right-hand side of equation (22), and by sequentially calculating the estimate using equation (22), it is possible to estimate it at any future time (future point in time).
従って、式(18)および式(22)を用いることによって、将来の任意の時点における送信機1と受信機3との間の伝搬路(直接リンクと間接リンクとからなる伝搬路)の周波数応答を推定することができる。 Therefore, by using equations (18) and (22), it is possible to estimate the frequency response of the propagation path (a propagation path consisting of a direct link and an indirect link) between transmitter 1 and receiver 3 at any time in the future.
推定装置4の推定手段41は、式(7)~式(22)を用いて、将来の任意の時点における送信機1と受信機3との間の伝搬路(直接リンクと間接リンクとからなる伝搬路)の周波数応答を推定する。 The estimation means 41 of the estimation device 4 uses equations (7) to (22) to estimate the frequency response of the propagation path (a propagation path consisting of a direct link and an indirect link) between the transmitter 1 and the receiver 3 at any future time.
[反射素子の反射係数および送信機1における送信重みの最適化]
N個の反射素子21のN個の反射係数θの最適化、および送信機1における送信重みWの最適化について説明する。
Optimization of Reflection Coefficients of Reflective Elements and Transmit Weights in Transmitter 1
The optimization of the N reflection coefficients θ of the N reflecting elements 21 and the optimization of the transmission weights W in the transmitter 1 will be described.
推定装置4の最適化手段42は、交互最適化によって、送信機1によって送信された信号の伝送容量sum_rateが最大になるようにN個の反射係数θおよび送信重みWを最適化する。 The optimization means 42 of the estimation device 4 optimizes the N reflection coefficients θ and transmission weights W through alternating optimization so as to maximize the transmission capacity sum_rate of the signal transmitted by the transmitter 1.
即ち、次式によって最適化問題を表わす。 That is, the optimization problem is expressed by the following equation:
式(23)において、γmRは、MR個のアンテナの信号対干渉プラス雑音電力比SINR(Signal to Interference and Noise Ratio)であり、反射係数θおよび送信重みWの関数である。また、ωmRは、各受信アンテナの優先度を表わすパラメータである。特に、アンテナに優先度を設けない場合、ω1=ω2=・・・=ωMR=1/MRとしてよい。 In equation (23), γ mR is the signal to interference and noise ratio (SINR) of the M R antennas, and is a function of the reflection coefficient θ and the transmission weight W. Also, ω mR is a parameter representing the priority of each receiving antenna. In particular, if no priority is assigned to the antennas, ω 1 = ω 2 = ... = ω MR = 1/M R may be used.
式(23)は、右辺が最大になるときの反射係数θおよび送信重みWを決定することを表わす。 Equation (23) represents the determination of the reflection coefficient θ and transmission weight W when the right-hand side is maximized.
最適化手段42は、
(I)反射係数θnに対して、伝搬路行列を計算し、その計算した伝搬路行列に対して固有値分解を行うことによって送信重みWnを算出する、および
(II)算出した送信重みWnを用いて伝送容量sum_rate_nを算出する、
ことをn=1~QNについて実行し、
(III)QN個の伝送容量sum_rate_1~sum_rate_QNのうちの最大の伝送容量sum_rate_maxが得られるときの反射係数θoptおよび送信重みWoptを決定する。ここで、Qは、各反射素子が取り得る反射係数の数である。
The optimization means 42
(I) calculating a propagation path matrix for the reflection coefficient θ n , and calculating a transmission weight W n by performing eigenvalue decomposition on the calculated propagation path matrix; and (II) calculating a transmission capacity sum_rate_n using the calculated transmission weight W n .
This is performed for n=1 to QN ,
(III) Determine the reflection coefficient θ opt and transmission weight W opt when the maximum transmission capacity sum_rate_max is obtained among the QN transmission capacities sum_rate_1 to sum_rate_QN , where Q is the number of reflection coefficients that each reflecting element can take.
最適化手段42は、(I)において、推定手段41から受けた周波数応答HD(k,t),HC(k,t)を用いて[HD(k,t)+HC(k,t)Θ]Wを算出することによって伝搬路行列を算出する。この場合、周波数応答HD(k,t),HC(k,t)は、推定手段41によって推定されており、“Θ”は、N個の反射素子21のQN個の反射係数のパターンを表わし、最適化手段42は、N個の反射素子21のQN個の反射係数のパターンとしてQN個のパターンを含むコードブックをIRS2との間で予め共有しているので、最適化手段42は、伝搬路行列[HD(k,t)+HC(k,t)Θ]Wを算出することができる。 In (I), the optimization means 42 calculates the channel matrix by calculating [H D (k, t) + H C (k, t) Θ]W using the frequency responses H D (k, t) and H C (k, t) received from the estimation means 41. In this case, the frequency responses H D (k, t) and H C (k, t) have been estimated by the estimation means 41, "Θ" represents the pattern of QN reflection coefficients of the N reflecting elements 21, and the optimization means 42 shares in advance with the IRS 2 a codebook including QN patterns as the patterns of the QN reflection coefficients of the N reflecting elements 21, so the optimization means 42 can calculate the channel matrix [H D (k, t) + H C (k, t) Θ]W.
従って、最適化手段42は、コードブックからN個の反射係数からなる1つのパターンθnを検出し、その検出した1つのパターンθnを“Θ”に代入して伝搬路行列[HD(k,t)+HC(k,t)Θ]Wを算出する。 Therefore, the optimization means 42 detects one pattern θn consisting of N reflection coefficients from the codebook, and substitutes the detected one pattern θn into “Θ” to calculate the propagation path matrix [H D (k, t) + H C (k, t) Θ]W.
そして、最適化手段42は、その算出した伝搬路行列[HD(k,t)+HC(k,t)Θ]Wに対して固有値分解を行うことによって送信重みWを算出する。 Then, the optimization means 42 calculates the transmission weights W by performing eigenvalue decomposition on the calculated channel matrix [H D (k, t) + H C (k, t) Θ]W.
また、(II)においては、最適化手段42は、(I)において算出した送信重みWを用いてMR個のアンテナにおけるMR個の送信レートに優先度ωmRを乗算し、MR個の乗算結果の和を算出して伝送容量sum_rateを算出する。なお、MR個のアンテナにおけるMR個の送信レートは、式(23)におけるlog2(1+γmR)として算出される。“γmR”の求め方については、後述する。 In (II), the optimization means 42 multiplies the M R transmission rates for the M R antennas by the priority ω mR using the transmission weights W calculated in (I), and calculates the sum of the M R multiplication results to calculate the transmission capacity sum_rate. The M R transmission rates for the M R antennas are calculated as log 2 (1 + γ mR ) in equation (23). How to calculate "γ mR " will be described later.
更に、(III)において、最大の伝送容量sum_rate_maxが複数個存在する場合、最適化手段42は、複数の最大の伝送容量sum_rate_maxのうちの任意の1つの最大の伝送容量sum_rate_maxを抽出して反射係数θoptおよび送信重みWoptを決定する。 Furthermore, in (III), if there are a plurality of maximum transmission capacities sum_rate_max, the optimization means 42 extracts any one of the plurality of maximum transmission capacities sum_rate_max and determines the reflection coefficient θ opt and the transmission weight W opt .
(I)において、伝搬路行列に対して固有値分解を行うことによる効果について説明する。 In (I), we explain the effect of performing eigenvalue decomposition on the channel matrix.
図5は、伝搬路行列に対して固有値分解を行うことによる効果を説明するための図である。 Figure 5 is a diagram illustrating the effect of performing eigenvalue decomposition on the channel matrix.
送信機1は、推定装置4から取得した伝搬路行列の情報から各アンテナの送信信号に係数行列を乗算(プリコーディング)し、アンテナ対の伝搬路が独立になるようにする。 The transmitter 1 multiplies (precodes) the transmission signal of each antenna by a coefficient matrix based on the propagation path matrix information obtained from the estimation device 4, so that the propagation paths of the antenna pairs are independent.
そこで、送信機1は、係数行列を次式によって決定する。 Therefore, transmitter 1 determines the coefficient matrix using the following equation:
式(24)において、行列Tは、送信重み行列であり、上述した送信重みWに相当する。また、行列Aは、ストリーム数をKとしたとき、K×Kの対角行列からなり、p1,・・・,pKは、それぞれ、ストリーム1~Kに割り当てられる送信電力である。 In equation (24), matrix T is a transmission weight matrix, which corresponds to the above-mentioned transmission weight W. Furthermore, matrix A is a K×K diagonal matrix, where K is the number of streams, and p 1 , ..., p K are transmission powers allocated to streams 1 to K, respectively.
行列T,Aを送信信号sに乗算すると、受信信号yは、次式によって表わされる。 When the transmitted signal s is multiplied by matrices T and A, the received signal y is expressed by the following equation:
受信信号yにTHHHを乗算すると、次式が得られる。 Multiplying the received signal y by T H H H gives the following equation:
式(26)の最終行における∧Aは、対角行列である。そして、∧Aの各対角成分(MR個)を各アンテナの雑音電力(または雑音電力の推定値)で除算した除算結果が式(23)におけるγ1,γ2,・・・,γMRとなる。従って、∧Aの各対角成分(MR個)を各アンテナの雑音電力(または雑音電力の推定値)で除算した除算結果を式(23)のγmRに代入してMR個のアンテナにおけるMR個の送信レートを算出し、その算出したMR個のアンテナにおけるMR個の送信レートを用いて伝送容量sum_rateを算出する。 ΧA in the last line of equation (26) is a diagonal matrix. The results of dividing each diagonal element (M R ) of ΨA by the noise power (or an estimated value of noise power) of each antenna become γ 1 , γ 2 , ..., γ MR in equation (23). Therefore, the results of dividing each diagonal element (M R ) of ΨA by the noise power (or an estimated value of noise power) of each antenna are substituted for γ mR in equation (23) to calculate the M R transmission rates for the M R antennas, and the calculated M R transmission rates for the M R antennas are used to calculate the transmission capacity sum_rate.
図5を参照して、プリコーディングしない場合、各送信アンテナと受信アンテナとの間で複数の送信アンテナによる通信路が重畳した通信路が形成される(図5の(a)参照)。 Referring to Figure 5, when precoding is not performed, a communication path is formed between each transmitting antenna and receiving antenna in which communication paths from multiple transmitting antennas are superimposed (see (a) of Figure 5).
一方、プリコーディングした場合、プリコーディングによって、送信アンテナと受信アンテナとの間で、独立な複数の通信路を形成することができる(図5の(b)参照)。 On the other hand, when precoding is used, multiple independent communication paths can be formed between the transmitting antenna and the receiving antenna (see (b) in Figure 5).
その結果、伝搬路行列に対して固有値分解を行うことによって、上記(II)においては、最適化手段42は、(I)において算出した送信重みWを用いてMR個のアンテナにおけるMR個の送信レートに優先度ωmRを乗算し、MR個の乗算結果の和を算出することによって、受信機3のアンテナに到達する伝送容量sum_rateを算出することができる。 As a result, by performing eigenvalue decomposition on the channel matrix, in the above (II), the optimization means 42 multiplies the M R transmission rates for the M R antennas by the priority ω mR using the transmission weights W calculated in (I), and calculates the sum of the M R multiplication results, thereby being able to calculate the transmission capacity sum_rate reaching the antenna of the receiver 3.
つまり、1つの受信アンテナについて、1つの通信路についての1つの伝送容量を算出し、その算出結果を受信アンテナの個数分加算すれば伝送容量sum_rateを算出できる。その結果、伝送容量sum_rateを算出するときの計算量を低減できる。 In other words, for one receiving antenna, one transmission capacity for one communication path is calculated, and the calculation results are added up for the number of receiving antennas to calculate the transmission capacity sum_rate. As a result, the amount of calculation required to calculate the transmission capacity sum_rate can be reduced.
図6は、図2に示す推定装置4の動作を説明するためのフローチャートである。図6を参照して、推定装置4の動作が開始されると、推定装置4の推定手段41は、パイロット信号の受信信号y(t)を受信機3の通信手段32から受ける(ステップS1)。 Figure 6 is a flowchart illustrating the operation of the estimation device 4 shown in Figure 2. Referring to Figure 6, when the operation of the estimation device 4 begins, the estimation means 41 of the estimation device 4 receives the received signal y(t) of the pilot signal from the communication means 32 of the receiver 3 (step S1).
そして、推定手段41は、受信信号y(t)に基づいて、式(1)~式(5)によって式(6)を導出する(ステップS2)。 The estimation means 41 then derives equation (6) using equations (1) to (5) based on the received signal y(t) (step S2).
その後、推定手段41は、式(6)を用いて、伝搬路の周波数応答HD,HCを算出して受信信号y(t)の受信時t0における伝搬路の周波数応答FQR_0を推定する(ステップS3)。 Thereafter, the estimation means 41 calculates the frequency responses H D and H C of the propagation path using equation (6) to estimate the frequency response FQR_0 of the propagation path at the time t 0 when the received signal y(t) is received (step S3).
引き続いて、推定手段41は、式(15)~式(17)によってAR係数ap_Cを求める(ステップS4)。 Subsequently, the estimation means 41 calculates the AR coefficient a p_C using equations (15) to (17) (step S4).
そして、推定手段41は、式(15)、式(20)および式(21)によってAR係数ap_Dを求める(ステップS5)。 Then, the estimation means 41 calculates the AR coefficient a p_D using equations (15), (20) and (21) (step S5).
その後、推定手段41は、AR係数ap_C,ap_Dを用いて、式(18),(22)によって周波数応答FQR_0から周波数応答FQR_1を推定する(ステップS6)。 Thereafter, the estimation means 41 estimates the frequency response FQR_1 from the frequency response FQR_0 using the AR coefficients a p_C and a p_D according to the equations (18) and (22) (step S6).
そして、推定手段41は、g=1を設定し(ステップS7)、AR係数ap_C,ap_Dを用いて、時点tgにおける周波数応答FQR_gから時点tgよりも将来の時点tg+1における周波数応答FQR_g+1を推定する(ステップS8)。 Then, the estimation means 41 sets g=1 (step S7), and estimates the frequency response FQR_g+1 at a time tg +1 that is later than the time tg from the frequency response FQR_g at the time tg using the AR coefficients ap_C and ap_D (step S8).
そうすると、推定手段41は、g=G-1であるか否かを判定する(ステップS9)。 The estimation means 41 then determines whether g = G-1 (step S9).
ステップS9において、g=G-1でないと判定されたとき、推定手段41は、g=g+1を設定する(ステップS10)。その後、推定装置4の動作は、ステップS8へ移行し、ステップS9において、g=G-1であると判定されるまで、ステップS8~ステップS10が繰り返し実行される。 If it is determined in step S9 that g is not equal to G-1, the estimation means 41 sets g to g+1 (step S10). The operation of the estimation device 4 then proceeds to step S8, and steps S8 to S10 are repeatedly executed until it is determined in step S9 that g is equal to G-1.
そして、ステップS9において、g=G-1であると判定されると、推定手段41は、周波数応答FQR_0~FQR_Gを最適化手段42へ出力する。 Then, in step S9, if it is determined that g = G-1, the estimation means 41 outputs the frequency responses FQR_0 to FQR_G to the optimization means 42.
最適化手段42は、周波数応答FQR_0~FQR_Gを推定手段41から受け、その受けた周波数応答FQR_0~FQR_Gに基づいて、反射係数Θおよび送信重みWを最適化する(ステップS11)。 The optimization means 42 receives the frequency responses FQR_0 to FQR_G from the estimation means 41 and optimizes the reflection coefficient Θ and transmission weight W based on the received frequency responses FQR_0 to FQR_G (step S11).
そして、最適化手段42は、受信機3の通信手段32を介して、最適化した反射係数ΘをIRS2へフィードバックし、最適化した送信重みWを送信機1へフィードバックする(ステップS12)。これによって、推定装置4の動作が終了する。 Then, the optimization means 42 feeds back the optimized reflection coefficient Θ to the IRS 2 and the optimized transmission weight W to the transmitter 1 via the communication means 32 of the receiver 3 (step S12). This completes the operation of the estimation device 4.
図6に示すフローチャートにおいては、ステップS8が1回目に実行される場合、推定手段41は、AR係数ap_C,ap_Dを用いて、式(18),(22)によって、ステップS6において推定した周波数応答FQR_1から周波数応答FQR_2を推定する。 In the flowchart shown in FIG. 6, when step S8 is executed for the first time, the estimation means 41 uses the AR coefficients a p_C and a p_D to estimate the frequency response FQR_2 from the frequency response FQR_1 estimated in step S6 according to equations (18) and (22).
そして、ステップS8が2回目に実行される場合、推定手段41は、AR係数ap_C,ap_Dを用いて、式(18),(22)によって、周波数応答FQR_2から周波数応答FQR_3を推定する。 Then, when step S8 is executed for the second time, the estimation means 41 estimates the frequency response FQR_3 from the frequency response FQR_2 by using the AR coefficients a p_C and a p_D according to equations (18) and (22).
次に、ステップS8が3回目に実行される場合、推定手段41は、AR係数ap_C,ap_Dを用いて、式(18),(22)によって、周波数応答FQR_3から周波数応答FQR_4を推定する。 Next, when step S8 is executed for the third time, the estimation means 41 estimates the frequency response FQR_4 from the frequency response FQR_3 by using the AR coefficients a p_C and a p_D according to equations (18) and (22).
以後、同様にして、ステップS8が(G-2)回目に実行される場合、推定手段41は、AR係数ap_C,ap_Dを用いて、式(18),(22)によって、周波数応答FQR_G-2から周波数応答FQR_G-1を推定する。 Thereafter, in the same manner, when step S8 is executed for the (G-2)th time, the estimation means 41 uses the AR coefficients a p _C and a p _D to estimate the frequency response FQR_G-1 from the frequency response FQR_G-2 according to equations (18) and (22).
そして、ステップS8が(G-1)回目に実行される場合、推定手段41は、AR係数ap_C,ap_Dを用いて、式(18),(22)によって、周波数応答FQR_G-1から周波数応答FQR_Gを推定する。 Then, when step S8 is executed for the (G-1)th time, the estimation means 41 estimates the frequency response FQR_G from the frequency response FQR_G-1 by using the AR coefficients a p_C and a p_D according to equations (18) and (22).
従って、ステップS8を(G-1)回実行することによって、周波数応答FQR_2~周波数応答FQR_Gを推定することできる。 Therefore, by executing step S8 (G-1) times, frequency responses FQR_2 to FQR_G can be estimated.
その結果、図6に示すフローチャートによれば、受信信号y(t)の受信時t0における周波数応答FQR_0(ステップS3参照)と、受信時t0よりも将来の時点t1~tGにおける周波数応答FQR_1~FQR_G(ステップS6,S8~S10参照)とを推定できる。 As a result, according to the flowchart shown in FIG. 6, it is possible to estimate the frequency response FQR_0 at the time t0 of reception of the received signal y( t ) (see step S3) and the frequency responses FQR_1 to FQR_G at times t1 to tG in the future from the time t0 of reception (see steps S6, S8 to S10).
図7は、図6のステップS6の詳細な動作を説明するためのフローチャートである。図7を参照して、図6のステップS5の後、推定手段41は、周波数応答FQR_0の周波数応答HC 0およびAR係数ap_Cを式(18)の右辺に代入して式(18)によって受信時t0よりも将来の時点t1における周波数応答HC 1を推定する(ステップS61)。 Fig. 7 is a flowchart for explaining the detailed operation of step S6 in Fig. 6. Referring to Fig. 7, after step S5 in Fig. 6, the estimation means 41 estimates the frequency response H C 1 at a time point t 1 that is later than the reception time t 0 by substituting the frequency response H C 0 and the AR coefficient a p_C of the frequency response FQR_0 into the right side of equation (18) using equation (18) (step S61).
そして、推定手段41は、周波数応答FQR_0の周波数応答HD 0およびAR係数ap_Dを式(22)の右辺に代入して式(22)によって受信時t0よりも将来の時点t1における周波数応答HD 1を推定する(ステップS62)。 Then, the estimation means 41 substitutes the frequency response H D 0 of the frequency response FQR_0 and the AR coefficient a p — D into the right side of equation (22) to estimate the frequency response H D 1 at a time t 1 that is later than the reception time t 0 using equation (22) (step S62).
その後、推定手段41は、周波数応答HC 1と周波数応答HD 1とからなる時点t1における周波数応答FQR_1を生成する(ステップS63)。その後、推定装置4の動作は、図6のステップS7へ移行する。 Thereafter, the estimation means 41 generates a frequency response FQR_1 at the time t1 that is composed of the frequency response H C1 and the frequency response H D1 (step S63). Thereafter, the operation of the estimation device 4 proceeds to step S7 in FIG.
このように、推定手段41は、伝搬路の間接リンクおよび直接リンクごとに、周波数応答HC 0,HD 0からそれぞれ式(18),(22)によって周波数応答HC 1,HD 1を推定する。 In this way, the estimation means 41 estimates the frequency responses H C 1 and H D 1 from the frequency responses H C 0 and H D 0 for each indirect link and direct link of the propagation path using equations (18) and (22), respectively.
図8は、図6のステップS8の詳細な動作を説明するためのフローチャートである。図8を参照して、図6のステップS7またはステップS10の後、推定手段41は、周波数応答FQR_gの周波数応答HC gおよびAR係数ap_Cを式(18)の右辺に代入して式(18)によって時点tgよりも将来の時点tg+1における周波数応答HC g+1を推定する(ステップS81)。 Fig. 8 is a flowchart for explaining the detailed operation of step S8 in Fig. 6. Referring to Fig. 8, after step S7 or step S10 in Fig. 6, the estimation means 41 substitutes the frequency response H C g of the frequency response FQR_g and the AR coefficient a p_C into the right side of equation (18) to estimate a frequency response H C g+1 at a time point t g+1 that is later than the time point t g using equation (18) (step S81).
そして、推定手段41は、周波数応答FQR_gの周波数応答HD gおよびAR係数ap_Dを式(22)の右辺に代入して式(22)によって時点tgよりも将来の時点tg+1における周波数応答HD g+1を推定する(ステップS82)。 Then, the estimation means 41 substitutes the frequency response H D g of the frequency response FQR_g and the AR coefficient a p — D into the right side of equation (22) to estimate the frequency response H D g+1 at a time point t g+1 that is later than the time point t g using equation (22) (step S82).
その後、推定手段41は、周波数応答HC g+1と周波数応答HD g+1とからなる時点tg+1における周波数応答FQR_g+1を生成する(ステップS83)。その後、推定装置4の動作は、図6のステップS9へ移行する。 Thereafter, the estimation means 41 generates a frequency response FQR_g+1 at the time t g+1 , which is composed of the frequency response H C g +1 and the frequency response H D g+1 (step S83). Thereafter, the operation of the estimation device 4 proceeds to step S9 in FIG. 6.
このように、推定手段41は、伝搬路の間接リンクおよび直接リンクごとに、周波数応答HC g,HD gからそれぞれ式(18),(22)によって周波数応答HC g+1,HD g+1を推定する。 In this way, the estimation means 41 estimates the frequency responses H C g +1 and H D g+1 from the frequency responses H C g and H D g by equations (18) and (22), respectively, for each indirect link and direct link of the propagation path.
そして、g=1であるとき、ステップS81において、周波数応答FQR_1の周波数応答HC 1から周波数応答FQR_2の周波数応答HC 2が推定され、ステップS82において、周波数応答FQR_1の周波数応答HD 1から周波数応答FQR_2の周波数応答HD 2が推定される。 Then, when g=1, in step S81, the frequency response H C 2 of the frequency response FQR_2 is estimated from the frequency response H C 1 of the frequency response FQR_1, and in step S82, the frequency response H D 2 of the frequency response FQR_2 is estimated from the frequency response H D 1 of the frequency response FQR_1.
その後、ステップS83において、周波数応答HC 2と周波数応答HD 2とからなる周波数応答FQR_2が生成される。 Then, in step S83, a frequency response FQR_2 consisting of the frequency response H C 2 and the frequency response H D 2 is generated.
g=2~G-1についても同様である。その結果、図8に示すフローチャートによれば、周波数応答HC 2と周波数応答HD 2とからなる周波数応答FQR_2、周波数応答HC 3と周波数応答HD 3とからなる周波数応答FQR_3、周波数応答HC 4と周波数応答HD 4とからなる周波数応答FQR_4、・・・、周波数応答HC Gと周波数応答HD Gとからなる周波数応答FQR_Gが生成される。 8, a frequency response FQR_2 consisting of frequency response H C 2 and frequency response H D 2, a frequency response FQR_3 consisting of frequency response H C 3 and frequency response H D 3 , a frequency response FQR_4 consisting of frequency response H C 4 and frequency response H D 4 , ... , a frequency response FQR_G consisting of frequency response H C G and frequency response H D G are generated.
図9は、図7のステップS11の詳細な動作を説明するためのフローチャートである。図9を参照して、図6のステップS9において、g=G-1であると判定されたとき、最適化手段42は、g=0を設定し(ステップS111)、n=1を設定する(ステップS112)。 Figure 9 is a flowchart for explaining the detailed operation of step S11 in Figure 7. Referring to Figure 9, when it is determined in step S9 in Figure 6 that g = G - 1, the optimization means 42 sets g = 0 (step S111) and n = 1 (step S112).
そして、最適化手段42は、保持しているコードブックから反射係数θn_gを検出し、その検出した反射係数θn_gに対して、推定手段41によって推定された周波数応答HD(k,t),HC(k,t)を用いて、伝搬路行列[HD(k,t)+HC(k,t)Θ]W_n_gを算出する(ステップ113)。 Then, the optimization means 42 detects the reflection coefficient θ n_g from the stored codebook, and calculates the channel matrix [H D (k, t) + H C (k, t) Θ] W_n_g for the detected reflection coefficient θ n_g using the frequency responses H D (k, t) and H C (k, t) estimated by the estimation means 41 (step 113).
その後、最適化手段42は、伝搬路行列[HD(k,t)+HC(k,t)Θ]W_n_gに対して固有値分解を行って送信重みWn_gを算出する(ステップS114)。 Thereafter, the optimization means 42 performs eigenvalue decomposition on the channel matrix [H D (k, t)+H C (k, t) Θ]W_n_g to calculate transmission weights W n_g (step S114).
引き続いて、最適化手段42は、送信重みWn_gを用いて伝送容量sum_rate_n_gを算出する(ステップS115)。 Subsequently, the optimization means 42 calculates a transmission capacity sum_rate_n_g using the transmission weight Wn_g (step S115).
そうすると、最適化手段42は、n=QNであるか否かを判定する(ステップS116)。 Then, the optimization means 42 determines whether n= QN (step S116).
ステップS116において、n=QNでないと判定されたとき、最適化手段42は、n=n+1を設定する(ステップ17)。その後、推定装置4の動作は、ステップS113へ移行し、ステップ116において、n=QNであると判定されるまで、ステップS113~ステップS117が繰り返し実行される。 If it is determined in step S116 that n is not equal to QN , the optimization means 42 sets n to n+1 (step S17). Thereafter, the operation of the estimation device 4 proceeds to step S113, and steps S113 to S117 are repeatedly executed until it is determined in step S116 that n is equal to QN .
そして、ステップ116において、n=QNであると判定されると、最適化手段42は、QN個の伝送容量sum_rate_1_g~sum_rate_QN_gのうちの最大の伝送容量sum_rate_max_gが得られるときの反射係数θopt_gおよび送信重みWopt_gを決定する(ステップS118)。 If it is determined in step 116 that n=Q N , the optimization means 42 determines the reflection coefficient θ opt_g and the transmission weight W opt_g when the maximum transmission capacity sum_rate_max_g is obtained among the Q N transmission capacities sum_rate_1_g to sum_rate_Q N _g (step S118).
その後、最適化手段42は、g=Gであるか否かを判定する(ステップS119)。ステップS119において、g=Gでないと判定されたとき、最適化手段42は、g=g+1を設定する(ステップS120)。その後、推定装置4の動作は、ステップS112へ移行し、ステップS119において、g=Gであると判定されるまで、ステップS112~ステップS120が繰り返し実行される。 The optimization means 42 then determines whether g = G (step S119). If it is determined in step S119 that g = G is not true, the optimization means 42 sets g = g + 1 (step S120). The operation of the estimation device 4 then proceeds to step S112, and steps S112 to S120 are repeatedly executed until it is determined in step S119 that g = G.
そして、ステップS119において、g=Gであると判定されると、最適化手段42は、時点t0~tGにおいて最適化した反射係数θopt_0~θopt_Gおよび送信重みWopt_0~Wopt_Gを取得する(ステップS121)。その後、推定装置4の動作は、図6のステップS12へ移行する。 If it is determined in step S119 that g=G, the optimization means 42 obtains the reflection coefficients θ opt — 0 to θ opt — G and the transmission weights W opt — 0 to W opt — G optimized at times t 0 to t G (step S121). Thereafter, the operation of the estimation device 4 proceeds to step S12 in FIG. 6.
最適化手段42は、ステップS121において、最適化した反射係数θopt_0~θopt_Gおよび送信重みWopt_0~Wopt_Gを取得すると、図6のステップS12において、表1に示すように、送信重みWopt_0~Wopt_Gをそれぞれ時点t0~tGに対応付けて送信機1へフィードバックし、表2に示すように、反射係数θopt_0~θopt_Gをそれぞれ時点t0~tGに対応付けてIRS2へフィードバックする。 In step S121, the optimization means 42 obtains the optimized reflection coefficients θ opt — 0 to θ opt — G and transmission weights W opt — 0 to W opt — G. In step S12 of FIG. 6, the optimization means 42 feeds back the transmission weights W opt — 0 to W opt — G to the transmitter 1, respectively corresponding to times t 0 to t G , as shown in Table 1, and feeds back the reflection coefficients θ opt — 0 to θ opt — G to the IRS 2, respectively corresponding to times t 0 to t G.
図6に示すフローチャート(図7から図9に示すフローチャートを含む)によれば、推定装置4は、受信信号y(t)に基づいて、受信信号y(t)の受信時t0における伝搬路の周波数応答FQR_0を推定し(ステップS2,S3参照)、伝搬路の周波数応答FQR_0から受信時t0よりも将来の時点t1における伝搬路の周波数応答FQR_1を推定し(ステップS6参照)、伝搬路の周波数応答FQR_1から伝搬路の周波数応答FQR_2を推定し、伝搬路の周波数応答FQR_2から伝搬路の周波数応答FQR_3を推定し、伝搬路の周波数応答FQR_3から伝搬路の周波数応答FQR_4を推定し、・・・、以下、同様にして、伝搬路の周波数応答FQR_G-1から伝搬路の周波数応答FQR_Gを推定する(ステップS8~S10参照)。 According to the flowchart shown in FIG. 6 (including the flowcharts shown in FIGS. 7 to 9 ), the estimation device 4 estimates, based on the received signal y(t), the frequency response FQR_0 of the propagation path at the time t 0 of reception of the received signal y(t) (see steps S2 and S3), estimates the frequency response FQR_1 of the propagation path at a time t 1 that is later than the time of reception t 0 from the frequency response FQR_0 of the propagation path (see step S6), estimates the frequency response FQR_2 of the propagation path from the frequency response FQR_1 of the propagation path, estimates the frequency response FQR_3 of the propagation path from the frequency response FQR_2 of the propagation path, estimates the frequency response FQR_4 of the propagation path from the frequency response FQR_3 of the propagation path, ... and similarly estimates the frequency response FQR_G of the propagation path from the frequency response FQR_G-1 of the propagation path (see steps S8 to S10).
そして、推定装置4は、ステップS8~S10においては、伝搬路の周波数応答FQR_1を初期値として、隣接する2つの時点tg,tg+1のうちの時点tgにおける周波数応答FQR_gから時点tg+1における周波数応答FQR_g+1を式(18),(22)を用いて推定することを繰り返し実行して、それぞれ時点t2~tGにおける周波数応答FQR_2~FQR_Gを推定する。 Then, in steps S8 to S10, the estimation device 4 uses the frequency response FQR_1 of the propagation path as an initial value and repeatedly estimates the frequency response FQR_g+1 at time t g +1 from the frequency response FQR_g at time t g of two adjacent times t g and t g+1 using equations (18) and (22), thereby estimating the frequency responses FQR_2 to FQR_G at times t 2 to t G , respectively.
従って、時点t1~tGを信号の送信時に設定することによって、送信機1と受信機3との間の伝搬路の推定時刻と送信時刻とのラグによる乖離を抑圧することができる。 Therefore, by setting the times t 1 to t G to the times of signal transmission, it is possible to suppress the discrepancy due to the lag between the estimated time of the propagation path between the transmitter 1 and the receiver 3 and the transmission time.
また、図6に示すフローチャート(図7から図9に示すフローチャートを含む)によれば、推定装置4は、受信信号y(t)に基づいて推定した受信時t0の周波数応答FQR_0に、受信時t0よりも将来の時点t1~tGにおいて推定した周波数応答FQR_1~FQR_Gを追加して反射係数Θおよび送信重みWを最適化する。 According to the flowchart shown in FIG. 6 (including the flowcharts shown in FIGS. 7 to 9), the estimation device 4 optimizes the reflection coefficient Θ and the transmission weight W by adding frequency responses FQR_1 to FQR_G estimated at times t 1 to t G that are later than the reception time t 0 to the frequency response FQR_0 at the reception time t 0 estimated based on the received signal y(t).
そして、推定装置4は、最適化した送信重みWopt_0~Wopt_Gをそれぞれ時点t0~tGに対応付けて送信機1へフィードバックし(表1参照)、最適化した反射係数θopt_0~θopt_Gをそれぞれ時点t0~tGに対応付けてIRS2へフィードバックする(表2参照)。 Then, the estimation device 4 feeds back the optimized transmission weights W opt — 0 to W opt — G to the transmitter 1, respectively corresponding to times t 0 to t G (see Table 1), and feeds back the optimized reflection coefficients θ opt — 0 to θ opt — G to the IRS 2, respectively corresponding to times t 0 to t G (see Table 2).
従って、送信機1は、フィードバックされた送信重みWopt_0~Wopt_Gを用いて信号を送信し、IRS2は、フィードバックされた反射係数θopt_0~θopt_Gによって送信機1からの送信信号を反射するので、推定時との乖離を抑圧した伝搬路(周波数応答)を用いて信号を受信機3へ送信できる。 Therefore, transmitter 1 transmits a signal using the fed-back transmission weights W opt — 0 to W opt — G , and IRS 2 reflects the transmitted signal from transmitter 1 using the fed-back reflection coefficients θ opt — 0 to θ opt — G , so that the signal can be transmitted to receiver 3 using a propagation path (frequency response) that suppresses deviation from the estimated path.
図10は、従来の推定時刻と現在時刻の関係と実施の形態1の推定時刻と現在時刻の関係との比較を示す図である。 Figure 10 shows a comparison between the relationship between the conventional estimated time and the current time and the relationship between the estimated time and the current time in embodiment 1.
図10の(a)を参照して、従来においては、推定時刻までの情報で伝搬路の周波数応答を推定し、その推定した周波数応答を用いて反射係数θおよび送信重みWを最適化していたので、推定処理および最適化処理と、最適化した反射係数θおよび送信重みWをフィードバックすることによる遅延が推定時刻と現在時刻との間に存在していた。 Referring to (a) in Figure 10, conventionally, the frequency response of the propagation path was estimated using information up to the estimated time, and the reflection coefficient θ and transmission weight W were optimized using the estimated frequency response. As a result, there was a delay between the estimated time and the current time due to the estimation process, optimization process, and feedback of the optimized reflection coefficient θ and transmission weight W.
一方、実施の形態1においては、図10の(b)に示すように、従来の推定時刻において受信信号y(t)に基づいて受信時t0における周波数応答FQR_0を推定し、その推定した周波数応答FQR_0を用いて、受信時t0よりも将来の時刻t1~tGにおける周波数応答FQR_1~FQR_Gを式(18),(22)によって順次推定するとともに、その推定した周波数応答FQR_0~FQR_Gを用いて反射係数θおよび送信重みWを最適化するので、従来の現在時刻までの情報で反射係数θおよび送信重みWを最適化できる。 On the other hand, in the first embodiment, as shown in (b) of FIG. 10 , the frequency response FQR_0 at the time of reception t 0 is estimated based on the received signal y(t) at the conventional estimated time, and the estimated frequency response FQR_0 is used to sequentially estimate frequency responses FQR_1 to FQR_G at times t 1 to t G that are later than the time of reception t 0 using equations (18) and (22). In addition, the estimated frequency responses FQR_0 to FQR_G are used to optimize the reflection coefficient θ and the transmission weight W. Therefore, the reflection coefficient θ and the transmission weight W can be optimized using information up to the conventional current time.
その結果、送信機と受信機との間の伝搬路の推定時刻と送信時刻とのラグによる乖離を抑圧できる。 As a result, the discrepancy due to the lag between the estimated time of the propagation path between the transmitter and receiver and the transmission time can be suppressed.
実施の形態1においては、推定装置4の動作は、ソフトウェアによって実現されてもよい。この場合、推定装置4は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory)を備える。そして、ROMは、図6に示すフローチャート(図7から図9に示すフローチャートを含む)の各ステップからなるプログラムProg_Aを記憶する。 In embodiment 1, the operation of the estimation device 4 may be implemented by software. In this case, the estimation device 4 includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), and a RAM (Random Access Memory). The ROM stores a program Prog_A consisting of the steps of the flowchart shown in FIG. 6 (including the flowcharts shown in FIGS. 7 to 9).
CPUは、ROMからプログラムProg_Aを読み出し、その読み出したプログラムProg_Aを実行して、時点t0~tGにおける周波数応答FQR_0~FQR_Gを推定するとともに、周波数応答FQR_0~FQR_Gを用いて時点t0~tGにおける送信重みWおよび反射係数θを最適化し、その最適化した送信重みWおよび反射係数θをそれぞれ送信機1およびIRS2へフィードバックする。RAMは、N個の反射素子21のQN個の反射係数のパターンを含むコードブックを一時的に記憶する。 The CPU reads out the program Prog_A from the ROM and executes the read out program Prog_A to estimate frequency responses FQR_0 to FQR_G from time t 0 to t G , and optimizes the transmission weights W and the reflection coefficients θ from time t 0 to t G using the frequency responses FQR_0 to FQR_G, and feeds back the optimized transmission weights W and the reflection coefficients θ to the transmitter 1 and the IRS 2. The RAM temporarily stores a codebook including patterns of QN reflection coefficients for the N reflecting elements 21.
また、プログラムProg_Aは、CD,DVD等の記録媒体に記録されて流通してもよい。プログラムProg_Aを記録した記録媒体がコンピュータに装着されると、コンピュータは、記録媒体からプログラムProg_Aを読み出して実行して、時点t0~tGにおける周波数応答FQR_0~FQR_Gを推定するとともに、周波数応答FQR_0~FQR_Gを用いて時点t0~tGにおける送信重みWおよび反射係数θを最適化し、その最適化した送信重みWおよび反射係数θをそれぞれ送信機1およびIRS2へフィードバックする。 Furthermore, the program Prog_A may be recorded on a recording medium such as a CD, a DVD, etc. and distributed. When a recording medium on which the program Prog_A is recorded is attached to a computer, the computer reads and executes the program Prog_A from the recording medium to estimate frequency responses FQR_0 to FQR_G from time t 0 to t G , and optimizes the transmission weights W and the reflection coefficients θ from time t 0 to t G using the frequency responses FQR_0 to FQR_G, and feeds back the optimized transmission weights W and reflection coefficients θ to the transmitter 1 and the IRS 2, respectively.
従って、プログラムProg_Aを記録した記録媒体は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体である。 Therefore, the recording medium on which the program Prog_A is recorded is a computer-readable recording medium.
送信機1のアンテナの個数が少ない場合、隣接するいくつかの反射素子を経由する間接リンクでは、同じ伝搬路値となる。従って、同じ伝搬路値となる反射素子をクラスタに分類し、各クラスタ内の反射素子に対しては、同じ制御を行うことで、伝搬路推定のオーバーヘッドを削減できる。 When transmitter 1 has a small number of antennas, indirect links that pass through several adjacent reflecting elements will have the same propagation path value. Therefore, by classifying reflecting elements with the same propagation path value into clusters and performing the same control on the reflecting elements within each cluster, the overhead of propagation path estimation can be reduced.
クラスタ化と併用して伝搬路を推定する場合、各クラスタを代表する反射素子に対してのみ推定を行えばよい。 When estimating propagation paths in conjunction with clustering, estimation only needs to be performed for the reflecting elements that represent each cluster.
従って、推定に必要な計算量を削減できる。 This reduces the amount of calculation required for estimation.
N個の反射素子21をクラスタ化するとき、N個の反射素子21は、各々が伝搬路の周波数応答が同じであるc(cは、1以上の整数)個のクラスタに分類される。そして、c個のクラスタからc個の代表反射素子が選択される。この場合、例えば、1つのクラスタに含まれる複数の反射素子において、配置位置が複数の反射素子の複数の配置位置の中心である反射素子が代表反射素子として選択される。 When N reflecting elements 21 are clustered, the N reflecting elements 21 are classified into c clusters (c is an integer greater than or equal to 1), each of which has the same frequency response of the propagation path. Then, c representative reflecting elements are selected from the c clusters. In this case, for example, among the reflecting elements included in one cluster, the reflecting element whose arrangement position is the center of the arrangement positions of the reflecting elements is selected as the representative reflecting element.
そして、c個のクラスタの各々に含まれる反射素子は、反射特性が同じになるように制御される。 The reflective elements contained in each of the c clusters are then controlled to have the same reflective characteristics.
[実施の形態2]
図11は、実施の形態2による無線通信システムの概略図である。図11を参照して、実施の形態2による無線通信システム10Aは、図1に示す無線通信システム10のIRS2をIRS2Aに変え、受信機3を受信機3Aに変えたものであり、その他は、無線通信システム10と同じである。
[Embodiment 2]
Fig. 11 is a schematic diagram of a wireless communication system according to embodiment 2. Referring to Fig. 11, wireless communication system 10A according to embodiment 2 is the same as wireless communication system 10, except that IRS 2 of wireless communication system 10 shown in Fig. 1 is changed to IRS 2A and receiver 3 is changed to receiver 3A.
送信機1、IRS2Aおよび受信機3Aは、無線通信空間に配置される。そして、送信機1、IRS2Aおよび受信機3Aは、実施の形態1における送信機1、IRS2および受信機3と同じように、無線通信空間において非直線状に配置される。 Transmitter 1, IRS 2A, and receiver 3A are arranged in a wireless communication space. Transmitter 1, IRS 2A, and receiver 3A are arranged non-linearly in the wireless communication space, similar to transmitter 1, IRS 2, and receiver 3 in embodiment 1.
IRS2Aは、図1に示すIRS2のIRSコントローラ22をIRSコントローラ22Aに変えたものであり、その他は、IRS2と同じである。 The IRS2A is identical to the IRS2, except that the IRS controller 22 of the IRS2 shown in Figure 1 has been replaced with the IRS controller 22A.
受信機3Aは、図1に示す受信機3の推定装置4を推定装置4Aに変えたものであり、その他は、受信機3と同じである。 Receiver 3A is the same as receiver 3, except that the estimation device 4 of receiver 3 shown in Figure 1 has been replaced with estimation device 4A.
IRSコントローラ22Aは、受信機3の推定装置4Aが送信機1と受信機3Aとの間の伝搬路の周波数応答を推定する場合、(N+1)MT個のパイロット信号が送信機1から順次送信されたときのN個の反射素子21による反射パターンを(N+1)MT個のパターンに順次切り換えるようにN個の反射素子21を制御する。 When the estimation device 4A of the receiver 3 estimates the frequency response of the propagation path between the transmitter 1 and the receiver 3A, the IRS controller 22A controls the N reflecting elements 21 so as to sequentially switch the reflection pattern of the N reflecting elements 21 to (N+1)M T patterns when (N+1)M T pilot signals are sequentially transmitted from the transmitter 1.
このとき、IRSコントローラ22Aは、N個の反射素子のうちの1個の反射素子のみが“ON”になり、かつ、その他の(N-1)個の反射素子が“OFF”になるように“ON”にする1個の反射素子を予め決定した所定の順序で順次切り替えるように制御する。 At this time, the IRS controller 22A controls the one reflective element to be turned "ON" in a predetermined order so that only one of the N reflective elements is turned "ON" and the other (N-1) reflective elements are turned "OFF."
受信機3Aの推定装置4Aは、1個のパイロット信号の受信信号y(t)を通信手段32から受けると、伝搬路の周波数応答を示す周波数応答行列[HD HC]の1つの列CLM_cを推定し、別の1個のパイロット信号の受信信号y(t+1)を通信手段32から受けると、周波数応答行列[HD HC]において、1つの列CLM_cに隣接する1つの列CLM_c+1を推定することを(N+1)MT個のパイロット信号y(1)~y((N+1)MT)の全てについて実行して周波数応答行列[HD HC]を推定する。 When the estimation device 4A of the receiver 3A receives a received signal y(t) of one pilot signal from the communication means 32, it estimates one column CLM_c of a frequency response matrix [H D H C ] indicating the frequency response of the propagation path, and when it receives a received signal y(t+1) of another pilot signal from the communication means 32, it estimates one column CLM_c+1 adjacent to one column CLM_c in the frequency response matrix [H D H C ], performing this process for all of the (N+1)M T pilot signals y(1) to y((N+1)M T ), thereby estimating the frequency response matrix [H D H C ].
そして、推定装置4Aは、(N+1)MT個のパイロット信号y(1)~y((N+1)MT)に基づいて、周波数応答行列[HD HC]を推定すると、後述する方法によって、周波数応答行列[HD HC]のうちの欠落した要素を補間し、欠落の無い周波数応答行列[HD HC]を時点t0における周波数応答FQR_0として推定する。 Then, the estimation device 4A estimates the frequency response matrix [H D H C ] based on the (N+1)M T pilot signals y(1) to y((N+1)M T ), and then interpolates missing elements from the frequency response matrix [H D H C ] using a method described later, and estimates the complete frequency response matrix [H D H C ] as the frequency response FQR_0 at time t 0 .
その後、推定装置4Aは、実施の形態1における推定装置4と同じように、周波数応答FQR_0を用いて、時点t1~tGにおける周波数応答FQR_1~FQR_Gを順次推定する。 Thereafter, the estimation device 4A uses the frequency response FQR_0 to sequentially estimate frequency responses FQR_1 to FQR_G at times t 1 to tG , in the same way as the estimation device 4 in the first embodiment.
そうすると、推定装置4Aは、実施の形態1における推定装置4と同じように、推定した周波数応答FQR_0~FQR_Gを用いて反射係数θおよび送信重みWを最適化し、その最適化した送信重みWを送信機1へフィードバックし、その最適化した反射係数θをIRS2Aへフィードバックする。 Then, in the same way as the estimation device 4 in embodiment 1, the estimation device 4A optimizes the reflection coefficient θ and transmission weight W using the estimated frequency responses FQR_0 to FQR_G, feeds back the optimized transmission weight W to the transmitter 1, and feeds back the optimized reflection coefficient θ to the IRS 2A.
図12は、図11に示す受信機3Aの概略図である。図12を参照して、受信機3Aは、図2に示す受信機3の推定装置4を推定装置4Aに変えたものであり、その他は、受信機3と同じである。 Figure 12 is a schematic diagram of the receiver 3A shown in Figure 11. Referring to Figure 12, the receiver 3A is the same as the receiver 3 shown in Figure 2, except that the estimation device 4 is replaced with an estimation device 4A.
推定装置4Aは、図2に示す推定装置4の推定手段41を推定手段41Aに変えたものであり、その他は、推定装置4と同じである。 The estimation device 4A is the same as the estimation device 4, except that the estimation means 41 of the estimation device 4 shown in Figure 2 is replaced with estimation means 41A.
推定手段41Aは、後述する方法によって、受信信号y(t)の受信時t0における伝搬路の周波数応答FQR_0を推定する。そして、推定手段41Aは、その推定した周波数応答FQR_0を用いて、受信時t0よりも将来の時点t1~tGにおける周波数応答FQR_1~FQR_Gを推定手段41と同じ方法によって推定する。その後、推定手段41Aは、推定した周波数応答FQR_0~FQR_Gを最適化手段42へ出力する。 The estimation means 41A estimates the frequency response FQR_0 of the propagation path at the time t0 of reception of the received signal y(t) by a method described later. Then, the estimation means 41A uses the estimated frequency response FQR_0 to estimate frequency responses FQR_1 to FQR_G at times t1 to tG that are later than the time t0 of reception by the same method as the estimation means 41. Thereafter, the estimation means 41A outputs the estimated frequency responses FQR_0 to FQR_G to the optimization means 42.
[受信信号y(t)の受信時t0における伝搬路の周波数応答の推定]
伝搬路の周波数応答を推定する期間であるトレーニング期間とデータ送信区間における伝搬路の変動を考慮するために、伝搬路行列H(t)の各列をOFDMシンボル間隔で推定可能なN個の反射素子21のON/OFFスイッチングによる推定(非特許文献8)を採用する。反射素子をOFFにする場合、OFFにした反射素子の反射係数を“0”にできる。
[Estimation of the frequency response of the propagation path at the time t0 when the received signal y(t) is received]
To take into account the fluctuations in the propagation path during the training period, which is the period for estimating the frequency response of the propagation path, and during the data transmission period, we employ estimation by ON/OFF switching of N reflecting elements 21, which can estimate each column of the propagation path matrix H(t) at OFDM symbol intervals (Non-Patent Document 8). When a reflecting element is turned OFF, the reflection coefficient of the turned OFF reflecting element can be set to "0".
図13は、受信信号、周波数応答、送信信号および白色雑音の行列表記を示す概念図である。 Figure 13 is a conceptual diagram showing the matrix representation of the received signal, frequency response, transmitted signal, and white noise.
図13を参照して、受信信号y(t)は、式(Eq)によって表わされる。式(Eq)において、行列H(t)は、直接リンクの周波数応答行列HD(t)と間接リンクの周波数応答行列HC(t)とからなる周波数応答行列であり、行列g(t)は、反射係数行列Θと送信信号行列x(t)との積からなる。 13, the received signal y(t) is expressed by equation (Eq), where matrix H(t) is a frequency response matrix consisting of the frequency response matrix H D (t) of the direct link and the frequency response matrix H C (t) of the indirect link, and matrix g(t) is the product of the reflection coefficient matrix Θ and the transmitted signal matrix x(t).
そして、行列H(t)は、MR行(N+1)MT列の行列であり、行列g(t)は、N+1)MT行1列の行列であり、行列n(t)は、MR行1列の行列である。 The matrix H(t) is a matrix with M R rows and (N+1)M T columns, the matrix g(t) is a matrix with (N+1)M T rows and 1 column, and the matrix n(t) is a matrix with M R rows and 1 column.
図14は、反射素子のON/OFF切り替え時の行列の状態を示す概念図である。図14を参照して、送信機1が1つのアンテナでパイロット信号を送信し、N個の反射素子21の全てをOFF(=0)にしたとき、行列g(t)において、第1行目の要素が“1”になり(行列g(t)のハッチング参照)、第2行目~第(N+1)MT行目の要素が“0”である。 14 is a conceptual diagram showing the state of the matrix when the reflecting elements are switched ON/OFF. Referring to FIG. 14, when transmitter 1 transmits a pilot signal using one antenna and all N reflecting elements 21 are turned OFF (=0), the elements in the first row of matrix g(t) are "1" (see the hatching in matrix g(t)), and the elements in the second row to the (N+1) MTth row are "0".
その結果、受信信号y(t)は、第1列目の要素からなる行列H(t)と、白色雑音を示す行列n(t)との和からなる。信号対雑音比SNが高い場合、白色雑音の影響が小さく、白色雑音を無視できるため、全ての反射素子をOFF(=0)にして送信機1の1つのアンテナからパイロット信号を送信したとき、推定手段41Aは、アンテナ31および通信手段32を介して受信信号y(t)を受信することによって、行列H(t)の第1列の要素を推定することになる。送信機1が1つのアンテナを用いてパイロット信号を送信し、IRS2Aが1つの反射素子によってパイロット信号を反射しているので、送信機1-IRS2-受信機3Aの経路は、1つの経路からなり、行列H(t)は、1つの列要素からなり、行列H(t)の1つの列要素は、送信機1の1つのアンテナに対応するからである。 As a result, the received signal y(t) is the sum of a matrix H(t) consisting of the elements in the first column and a matrix n(t) representing white noise. When the signal-to-noise ratio SN is high, the influence of white noise is small and can be ignored. Therefore, when all reflecting elements are turned OFF (=0) and a pilot signal is transmitted from one antenna of transmitter 1, estimation means 41A estimates the elements in the first column of matrix H(t) by receiving received signal y(t) via antenna 31 and communication means 32. Because transmitter 1 transmits a pilot signal using one antenna and IRS 2A reflects the pilot signal with one reflecting element, the path from transmitter 1 to IRS 2 to receiver 3A consists of one path, matrix H(t) consists of one column element, and one column element of matrix H(t) corresponds to one antenna of transmitter 1.
IRS2Aにおいて、ON(=1)にする1つの反射素子を所定の順序で切り替えることによって、行列H(t)の第2列目の要素から第(N+1)MT列の要素を順次推定することができる。 In IRS2A, by switching one reflective element to be ON (=1) in a predetermined order, it is possible to sequentially estimate elements from the second column to the (N+1) MT column of the matrix H(t).
そして、実施の形態2においては、送信機1は、OFDMシンボル長の間隔(例えば、4μs)で1つのアンテナを用いてパイロット信号を送信する。 In embodiment 2, transmitter 1 transmits pilot signals using one antenna at intervals equal to the OFDM symbol length (e.g., 4 μs).
図15は、トレーニング期間における行列H(t),g(t)の変遷を示す概念図である。 Figure 15 is a conceptual diagram showing the evolution of matrices H(t) and g(t) during the training period.
図15を参照して、t=1において、行列g(t)の第1行の要素が“1”になり(行列g(t)のハッチング参照)、かつ、行列g(t)の第2行~第(N+1)MT行の要素が“0”になったとき、推定手段41Aは、送信機1の1つのアンテナから送信されたパイロット信号を受信することによって行列H(t)の第1列の要素を推定する。 Referring to FIG. 15, at t=1, when the element in the first row of matrix g(t) becomes “1” (see the hatching in matrix g(t)) and the elements in the second row to the (N+1)M Tth row of matrix g(t) become “0”, the estimation means 41A estimates the element in the first column of matrix H(t) by receiving a pilot signal transmitted from one antenna of the transmitter 1.
その後、t=2において、行列g(t)の第2行の要素が“1”になり(行列g(t)のハッチング参照)、かつ、第2行以外の行の要素が“0”になったとき、推定手段41Aは、送信機1の1つのアンテナから送信されたパイロット信号を受信することによって行列H(t)の第2列の要素を推定する。 Then, at t=2, when the elements in the second row of matrix g(t) become "1" (see the hatching in matrix g(t)) and the elements in rows other than the second row become "0", the estimation means 41A estimates the elements in the second column of matrix H(t) by receiving a pilot signal transmitted from one antenna of transmitter 1.
以下、同様にして、t=MTにおいて、行列g(t)の第MT行の要素が“1”になり(行列g(t)のハッチング参照)、かつ、第MT行以外の行の要素が“0”になったとき、推定手段41Aは、送信機1の1つのアンテナから送信されたパイロット信号を受信することによって行列H(t)の第MT列の要素を推定する。 Similarly, when the element in the M T -th row of matrix g(t) becomes "1" (see the hatching in matrix g(t)) and the elements in rows other than the M T- th row become "0" at t = M T, the estimation means 41A estimates the element in the M T-th column of matrix H(t) by receiving a pilot signal transmitted from one antenna of the transmitter 1.
引き続いて、t=MT+1~2MTにおいて、それぞれ、行列g(t)の第1行と第(MT+1)行~第MT行と第2MT行の要素が順次“1”になり(行列g(t)のハッチング参照)、かつ、第1行と第(MT+1)行~第MT行と第2MT行以外の要素が順次“0”になると、推定手段41Aは、それぞれ、行列H(t)の2つの列の重畳要素H1,MT+1,H2,MT+2,・・・,HMT,2MTを推定する。 Subsequently, at t = M T + 1 to 2M T , when the elements of the first row, the (M T + 1)th row to the M T row, and the second M T row of matrix g(t) sequentially become "1" (see the hatching of matrix g(t)), and the elements other than the first row, the (M T + 1)th row to the M T row, and the second M T row sequentially become "0", the estimation means 41A estimates the superposition elements H 1,MT+1 , H 2,MT+2 , ..., H MT,2MT of the two columns of matrix H(t), respectively.
重畳要素H1,MT+1は、行列H(t)の第1列の要素と第(MT+1)列の要素とが重畳した要素であり、重畳要素H2,MT+2は、行列H(t)の第2列の要素と第(MT+2)列の要素とが重畳した要素であり、以下、同様にして、重畳要素HMT,2MTは、行列H(t)の第MT列の要素と第2MT列の要素とが重畳した要素である。 The superposition element H1,MT+1 is an element obtained by superposing the elements of the first column and the ( MT +1)th column of the matrix H(t), the superposition element H2,MT+2 is an element obtained by superposing the elements of the second column and the ( MT +2)th column of the matrix H(t), and so on, with the superposition element HMT,2MT being an element obtained by superposing the elements of the MTth column and the second MTth column of the matrix H( t ).
そして、推定手段41は、既に推定した第1列の要素H1を重畳要素H1,MT+1から減算して第MT+1列の要素HMT+1を推定し、既に推定した第2列の要素H2を重畳要素H2,MT+2から減算して第MT+2列の要素HMT+2を推定し、以下、同様にして、既に推定した第MT列の要素HMTを重畳要素HMT,2MTから減算して第2MT列の要素H2MTを推定する。 The estimation means 41 then subtracts the already estimated element H1 of the first column from the superimposed element H1 ,MT+1 to estimate the element HMT +1 of the M +1th column, subtracts the already estimated element H2 of the second column from the superimposed element H2 ,MT+2 to estimate the element HMT +2 of the M+2th column, and similarly subtracts the already estimated element HMT of the M- th column from the superimposed element HMT ,2MT to estimate the element H2MT of the second M- th column.
その後、以下、同様にして、t=NMT+1~(N+1)MTにおいて、それぞれ、行列g(t)の第(NMT+1)行~第(N+1)MT行の要素が順次“1”になり(行列g(t)のハッチング参照)、かつ、第(NMT+1)行~第(N+1)MT行以外の要素が順次“0”になると、推定手段41Aは、それぞれ、行列H(t)の2つの列の重畳要素H1,NMT+1,H2,NMT+2,・・・,HMT,(N+1)MTを推定する。 Thereafter, in the same manner, for t = NM T + 1 to (N+1) MT , when the elements of the (NM T + 1)th row to the (N+1) MT row of matrix g(t) sequentially become "1" (see the hatching in matrix g(t)) and the elements other than the (NM T + 1)th row to the (N+1) MT row sequentially become "0", the estimation means 41A estimates the superposition elements H 1,NMT+1 , H 2,NMT+2 , ..., HMT, (N+1)MT of the two columns of matrix H(t).
重畳要素H1,NMT+1は、行列H(t)の第1列目の要素と第(NMT+1)列の要素とが重畳した要素であり、重畳要素H2,NMT+2は、行列H(t)の第2列の要素と第(NMT+2)列の要素とが重畳した要素であり、以下、同様にして、重畳要素HMT,(N+1)MTは、行列H(t)の第MT列の要素と第(N+1)MT列の要素とが重畳した要素である。 The superposition element H1,NMT+1 is an element obtained by superposing the elements in the first column and the (NM T + 1)th column of the matrix H(t), the superposition element H2,NMT+2 is an element obtained by superposing the elements in the second column and the (NM T + 2)th column of the matrix H(t), and similarly, the superposition element HMT,(N+1)MT is an element obtained by superposing the elements in the M Tth column and the (N+1) MTth column of the matrix H(t).
そして、推定手段41は、既に推定した第1列の要素H1を重畳要素H1,NMT+1から減算して第NMT+1列の要素HNMT+1を推定し、既に推定した第2列の要素H2を重畳要素H2,NMT+2から減算して第NMT+2列の要素HNMT+2を推定し、以下、同様にして、既に推定した第MT列の要素HMTを重畳要素HMT,(N+1)MTから減算して第(N+1)MT列の要素H(N+1)MTを推定する。 Then, the estimation means 41 subtracts the already estimated element H1 of the first column from the superimposed element H1 ,NMT+1 to estimate the element HNMT+1 of the NMT +1th column, subtracts the already estimated element H2 of the second column from the superimposed element H2 ,NMT+2 to estimate the element HNMT+2 of the NMT +2th column, and similarly subtracts the already estimated element HMT of the MTT column from the superimposed element HMT,(N+1)MT to estimate the element H (N+1)MT of the (N+1) MT column.
図16は、行列g(t)の構成要素を示す概念図である。図16を参照して、行列g(t)は、単位行列Iと反射係数行列Θとを縦に並べた[I^T Θ^T]^Tからなる。 Figure 16 is a conceptual diagram showing the components of matrix g(t). Referring to Figure 16, matrix g(t) is composed of a unit matrix I and a reflection coefficient matrix Θ arranged vertically as [I^T Θ^T]^T.
単位行列Iは、対角要素が“1”である行列である。反射係数行列Θは、対角要素が反射係数θである行列である。 The identity matrix I is a matrix whose diagonal elements are "1". The reflection coefficient matrix Θ is a matrix whose diagonal elements are the reflection coefficient θ.
図15においては、t=MT+1~(N+1)MTにおいて、行列g(t)の2つの要素が“1”であるが、その理由は、以下の通りである。 In FIG. 15, two elements of the matrix g(t) are "1" for t=M T +1 to (N+1)M T , and the reason for this is as follows.
図15に示すt=1~MTにおいては、行列g(t)の“1”になる要素は、第1列から第MT列へ順次移動する。その結果、行列g(t)の“1”になる要素は、図16に示す単位行列Iの“1”からなる対角要素に沿って順次切り替えられることになる。 15, the elements of matrix g(t) that are "1" move sequentially from the first column to the M - th column. As a result, the elements of matrix g(t) that are "1" are switched sequentially along the diagonal elements of unit matrix I that are "1" shown in FIG.
そして、図15に示すt=MT+1~(N+1)MTにおいては、行列g(t)の“1”になる要素は、[第1列および第(MT+1)列の要素]~[第MT列および第(N+1)MT列]の要素である。 In addition, for t = M T + 1 to (N+1)M T shown in FIG. 15, the elements of matrix g(t) that become "1" are the elements of [the elements in the first column and the (M T + 1)th column] to [the elements in the M T column and the (N+1)M T column].
図16に示す単位行列Iは、MT行MT列の行列であるため、図15に示すt=MT+1~(N+1)MTにおいては、行列g(t)の“1”になる要素は、図16に示す反射係数行列Θの対角要素に沿って順次切り替えられることになる。 The unit matrix I shown in FIG. 16 has M T rows and M T columns, so for t = M T +1 to (N+1)M T shown in FIG. 15, the elements of the matrix g(t) that become "1" are switched sequentially along the diagonal elements of the reflection coefficient matrix Θ shown in FIG. 16.
その結果、t=MT+1において、反射係数行列Θの第1行第1列の要素θ(反射係数の要素)を“1”にすると、同じ第1列に単位行列Iの“1”が存在する。そして、単位行列Iの“1”は、IRS2Aが制御できないものであるため、t=MT+1において、行列g(t)の第1列目の要素と第(MT+1)列目の要素とが“1”になる。t=MT+2~(N+1)MTについても、同様の理由によって、行列g(t)の2つの要素が“1”になる。 As a result, at t=M T +1, when element θ (reflection coefficient element) in the first row and first column of the reflection coefficient matrix Θ is set to "1," a "1" in the unit matrix I exists in the same first column. Since the "1" in the unit matrix I cannot be controlled by IRS2A, at t=M T +1, the element in the first column and the element in the (M T +1)th column of matrix g(t) become "1." For t=M T +2 to (N+1)M T , for the same reason, two elements of matrix g(t) become "1."
従って、推定手段41Aは、t=MT+1~(N+1)MTにおいて推定した推定値から、それぞれ、t=1~MTにおいて、推定済である推定値を減算し、その減算結果をt=MT+1~(N+1)MTにおける推定値として推定する。 Therefore, the estimation means 41A subtracts the estimated values already estimated at t=1 to MT from the estimated values estimated at t= MT +1 to (N+1) MT , and estimates the subtraction results as the estimated values at t=MT + 1 to (N+1) MT .
図17は、図15に示す方法によって伝搬路の周波数応答の行列H(t)を推定するときの問題点を説明するための図である。 Figure 17 is a diagram illustrating the problems that arise when estimating the channel frequency response matrix H(t) using the method shown in Figure 15.
図17を参照して、図15に示す方法によって行列H(t)を推定した場合、トレーニング期間TRN_1において、行列H(t)の第1列の伝搬路の推定値EST_1_1の取得時間が、行列H(t)の第(N+1)MT列の伝搬路の推定値EST_(N+1)MT_1の取得時間と異なり、トレーニング期間TRN_2において、行列(t)の第1列の伝搬路の推定値EST_1_2の取得時間が、行列(t)の第(N+1)MT列の伝搬路の推定値EST_(N+1)MT_2の取得時間と異なる(図17の(a)参照)。 Referring to Figure 17, when matrix H(t) is estimated using the method shown in Figure 15, during training period TRN_1, the acquisition time of the propagation path estimate value EST_1_1 in the first column of matrix H(t) is different from the acquisition time of the propagation path estimate value EST_(N+1) MT_1 in the (N+1) MT column of matrix H(t), and during training period TRN_2, the acquisition time of the propagation path estimate value EST_1_2 in the first column of matrix (t) is different from the acquisition time of the propagation path estimate value EST_(N+1) MT_2 in the (N+1) MT column of matrix (t) (see (a) of Figure 17).
また、インデックス変調等、常に全ての送信アンテナを使わない方式を用いる場合、特定のOFDMシンボルや無線フレームで推定値を得られない状況が存在する。インデックス変調は、任意の集合から特定の要素を選択するときの選択パターンに情報を割り当てて送信する変調方式である。 Furthermore, when using a method such as index modulation, which does not always use all transmitting antennas, there are situations where an estimate cannot be obtained for a specific OFDM symbol or radio frame. Index modulation is a modulation method that assigns information to the selection pattern used when selecting a specific element from an arbitrary set and transmits it.
実施の形態2においては、送信機1は、送信機1のMT個のアンテナから1つのアンテナを選択し、その選択した1つのアンテナを用いて1つのパイロット信号を送信するときのMT個のアンテナのアンテナパターンを、パイロット信号の送信に用いる1つのアンテナを変えることによって(N+1)MT個のアンテナパターンに変えて(N+1)MT個のパイロット信号を順次送信する。 In the second embodiment, the transmitter 1 selects one antenna from the M T antennas of the transmitter 1, and when transmitting one pilot signal using the selected antenna, changes the antenna pattern of the M T antennas to (N+1) M T antenna patterns by changing the antenna used to transmit the pilot signal, and sequentially transmits (N+1) M T pilot signals.
その結果、(N+1)MT個のパイロット信号の各々は、MT個のアンテナのうちの1つのアンテナのみがパイロット信号の送信に用いられるアンテナパターンに割り当てられることになる。 As a result, each of the (N+1)M T pilot signals is assigned to an antenna pattern in which only one antenna out of the M T antennas is used to transmit the pilot signal.
従って、送信機1は、インデックス変調によって(N+1)MT個のパイロット信号を順次送信する。 Therefore, the transmitter 1 sequentially transmits (N+1) MT pilot signals by index modulation.
そうすると、トレーニング期間TRN_1において、t=1~(N+1)MTにおいて推定値が得られても、トレーニング期間TRN_2において、t=(N+1)MTにおいて推定値が得られないこともある(図17の(b)参照)。即ち、図15に示す方法によって推定した行列H(t)の要素が欠落することもある。 In this case, even if estimates are obtained for t = 1 to (N + 1) MT in the training period TRN_1, estimates may not be obtained for t = (N + 1) MT in the training period TRN_2 (see (b) in Figure 17). That is, elements of the matrix H(t) estimated by the method shown in Figure 15 may be missing.
そこで、図15に示す方法によって推定した行列H(t)に対して行列補間を適用する。そして、行列H(t)において欠落する要素は、ランダムであるので、ランダムに欠落した時系列データから行列H(t)の全体を推定する手法を採用する。 Therefore, matrix interpolation is applied to the matrix H(t) estimated using the method shown in Figure 15. Since the missing elements in matrix H(t) are random, a method is adopted to estimate the entire matrix H(t) from randomly missing time series data.
なお、インデックス変調は、MT個のアンテナのうちの1つのアンテナのみがパイロット信号の送信に用いられ、かつ、1つのアンテナ以外のアンテナがパイロット信号の送信に用いられないMT個のアンテナのアンテナパターンにパイロット信号を割り当てて送信することである。 Note that index modulation involves allocating and transmitting pilot signals to antenna patterns of M T antennas, in which only one antenna among M T antennas is used to transmit the pilot signal, and antennas other than the one antenna are not used to transmit the pilot signal.
図18は、推定した行列H(t)の要素を抽出する方法を説明するための図である。図18を参照して、時系列データD_chrにおいて、行列H(t)の推定した推定値が黒丸(●)で示されている。そして、黒丸(●)で示すデータのうち、t=MT+1~(N+1)MTのときに推定したデータについては、上述したように、重畳した要素を減算した減算結果からなる。 18 is a diagram illustrating a method for extracting elements of the estimated matrix H(t). Referring to FIG. 18, in the time-series data D_chr, estimated values of the matrix H(t) are indicated by black circles (●). Of the data indicated by black circles (●), the data estimated when t = M T +1 to (N+1)M T consists of the subtraction results obtained by subtracting the superimposed elements, as described above.
推定手段41Aは、スライディングウィンドウを矢印の方向に移動させながら、図15に示すt毎ごとに、スライディングウィンドウを用いて時系列データD_chrから一部のデータを切り出すことをt=1~(N+1)MTの全てについて実行し、その切り出した(N+1)MT個の行ベクトルをスタックしたハンケル行列Rを生成する。 The estimation means 41A moves the sliding window in the direction of the arrow, and extracts a portion of data from the time-series data D_chr using the sliding window for each t shown in FIG. 15 for all of t = 1 to (N+1) MT , and generates a Hankel matrix R by stacking the extracted (N+1) MT row vectors.
図19は、行列の分解を示す概念図である。図19を参照して、推定手段41Aは、生成したハンケル行列Rを行列Pおよび行列Qの積PQに分解する。 Figure 19 is a conceptual diagram showing matrix decomposition. Referring to Figure 19, the estimation means 41A decomposes the generated Hankel matrix R into the product PQ of matrix P and matrix Q.
行列が低ランクである場合、低ランクである2つの行列の積で表すことが可能である。ここで、例えば、行列のランクが、行列の行の数と列の数とのうちの小さい方の1/10であることを低ランクと言う。 If a matrix has low rank, it can be expressed as the product of two low-rank matrices. Here, for example, a matrix is said to be low rank if its rank is 1/10 of the smaller of the number of rows and the number of columns.
ハンケル行列Rの要素Ri,jは、行列Pの要素Pi,:と、行列Qの要素Q:,kとの積として表わされる。ここで、表記“Pi,:”は、行列Pのi行を表わし、表記“Q:,k”は、行列Qのk列を表わす。 An element R i,j of a Hankel matrix R is expressed as the product of an element P i,: of a matrix P and an element Q :,k of a matrix Q, where the notation "P i,: " represents the i row of the matrix P, and the notation "Q :,k " represents the k column of the matrix Q.
そして、式(27)に示す最適化問題を設定する。 Then, we set up the optimization problem shown in equation (27).
式(27A)において、J1(P,Q)は、式(27B)によって表わされ、J2(P,Q)は、式(27C)によって表わされる。そして、λは、正則化パラメータであり、例えば、10-3である。 In equation (27A), J 1 (P, Q) is expressed by equation (27B), J 2 (P, Q) is expressed by equation (27C), and λ is a regularization parameter, for example, 10 −3 .
そして、λJ2(P,Q)は、オーバーフィッティングを防ぐための正則化項である。また、式(27B)の右辺において、|Ri,j-Pi,:Q:,k|は、要素ごとの誤差項であり、“Ψ”は、既知点のインデックスの集合である。更に、式(27C)の右辺において、“2”は、ノルムの制約であり、“F”は、フロベニウスノルムであり、全要素を2乗して加算した加算結果の平方根を算出することを表わす。 And λJ 2 (P,Q) is a regularization term to prevent overfitting. Also, on the right side of equation (27B), |R i,j -P i,: Q :,k | is an error term for each element, and "Ψ" is a set of indices of known points. Furthermore, on the right side of equation (27C), "2" is a norm constraint, and "F" is the Frobenius norm, which indicates that all elements are squared and added together, and the square root of the sum is calculated.
式(27A)に示す最適化は、誤差を最小にするP,Qを決定するものである。 The optimization shown in equation (27A) determines P and Q that minimize the error.
図20は、最適化アルゴリズムを示す図である。図20を参照して、最初に、R(0),Ψ,L,λ,tmaxが設定される。 20 is a diagram showing the optimization algorithm. Referring to FIG. 20, first, R(0), Ψ, L, λ, and t max are set.
そして、“2:~4:”において、行列P,Qの初期値を特異値分解によって与える。また、“7:~12:”において、行列Qの各行を更新する。更に、“13:~18:”において、行列Pの各行を更新する。更に、“20:~21:”において、行列Rを更新する。 Then, in "2:" to "4:", the initial values of matrices P and Q are given by singular value decomposition. Also, in "7:" to "12:", each row of matrix Q is updated. Furthermore, in "13:" to "18:", each row of matrix P is updated. Furthermore, in "20:" to "21:", matrix R is updated.
更に、“11:”は、行列Qにおいて、補間を行うことに相当し、“17:”は、行列Pにおいて、補間を行うことに相当する。 Furthermore, "11:" corresponds to performing interpolation in matrix Q, and "17:" corresponds to performing interpolation in matrix P.
そして、上記の「行列Qの各行の更新」、「行列Pの各行の更新」および「行列Rの更新」が、t<tmaxであるとき、繰り返し実行され、t=tmaxになると、最適化アルゴリズムが終了する。なお、tmaxは、例えば、200である。 The above "updating each row of matrix Q,""updating each row of matrix P," and "updating matrix R" are repeatedly executed when t< tmax , and the optimization algorithm ends when t= tmax , where tmax is, for example, 200.
図21は、選択行列を示す図である。図21を参照して、選択行列Skは、各行に1つ“1”があり、残りが“0”である。行列Rが4個の既知部分を含んでいる場合、選択行列Skは、行列Rのk列の4個の既知部分のみを抜き出す。 21 is a diagram showing a selection matrix. Referring to FIG. 21, the selection matrix S k has one "1" in each row and the rest are "0". When the matrix R includes four known parts, the selection matrix S k extracts only the four known parts in the kth column of the matrix R.
選択行列Skを用いた既知部分の抜出は、図20の“9:”において、行列Pから既知部分を抜き出し、その抜き出したものをPpartとする。その後、“10:”において、選択行列Skを用いて行列Rのk列から既知部分を抜き出し、その抜き出した既知部分をxとする。その後、“11:”において、行列Qの行の更新が行われる。 To extract a known part using selection matrix S k , at "9:" in Fig. 20, a known part is extracted from matrix P, and the extracted part is designated P part . Then, at "10:", a known part is extracted from column k of matrix R using selection matrix S k , and the extracted known part is designated x. Then, at "11:", the rows of matrix Q are updated.
同様のことが、選択行列Siを用いて、“15:”,“16:”,“17:”において実行される。 The same is done for "15:", "16:", and "17:" using the selection matrix S i .
従って、図20に示す最適化アルゴリズムを用いて行列補間が実行される。 Therefore, matrix interpolation is performed using the optimization algorithm shown in Figure 20.
図22は、補間されたハンケル行列Rから時系列を復元する方法を説明するための図である。 Figure 22 is a diagram illustrating how to reconstruct a time series from an interpolated Hankel matrix R.
図22を参照して、行列補間によって推定された欠落が無いハンケル行列R*(t)の反対角要素EL_1に含まれる複数の推定値の平均値を算出し、その算出した推定値の平均値を補間された時系列のデータとして復元することをハンケル行列H*(t)の反対角要素EL_1~EL_Vの全てについて実行する。これによって、補間された時系列が復元される。 22 , the average value of multiple estimated values included in the anti-diagonal element EL_1 of the missing Hankel matrix R * (t) estimated by matrix interpolation is calculated, and the calculated average value of the estimated values is restored as interpolated time series data, for all of the anti-diagonal elements EL_1 to EL_V of the Hankel matrix H * (t). In this way, the interpolated time series is restored.
なお、反対角要素EL_1~EL_Vの各々は、同じ時点の要素からなるので、平均値を時系列の1つの時点における要素として復元できる。 Note that each of the anti-diagonal elements EL_1 to EL_V consists of elements from the same point in time, so the average value can be restored as an element at a single point in time in the time series.
推定手段41Aは、上述した方法によって、送信機1から送信される(N+1)MT個のパイロット信号の受信信号を受信して行列H(t)の(N+1)MT個の列を推定することによって行列H(t)を推定し、その推定した行列H(t)からハンケル行列Rを生成し、その生成したハンケル行列Rを行列P,Qの積PQに分解し、その分解した積PQに基づいて行列補間を行って要素が欠落していないハンケル行列R*(t)を取得し、その取得したハンケル行列R*(t)に基づいて復元された時系列を周波数応答行列H*(t)として推定する。 The estimation means 41A receives received signals of (N+1) MT pilot signals transmitted from the transmitter 1 using the above-mentioned method, and estimates the (N+1) MT columns of the matrix H(t) to estimate the matrix H(t), generates a Hankel matrix R from the estimated matrix H(t), decomposes the generated Hankel matrix R into a product PQ of matrices P and Q, performs matrix interpolation based on the decomposed product PQ to obtain a Hankel matrix R * (t) with no missing elements, and estimates the time series reconstructed based on the obtained Hankel matrix R * (t) as the frequency response matrix H * (t).
そして、推定手段41Aは、行列H*(t)を推定すると、その推定した周波数応答行列H*(t)を受信時t0の伝搬路の周波数応答FQR_0とし、周波数応答FQR_0を用いて、推定手段41と同じ方法によって、受信時t0よりも将来の時点t1~tGにおける周波数応答FQR_1~FQR_Gを推定し、周波数応答FQR_0~FQR_Gを最適化手段42へ出力する。 Then, after estimating the matrix H * (t), the estimation means 41A sets the estimated frequency response matrix H * (t) as the frequency response FQR_0 of the propagation path at the time of reception t0 , and uses the frequency response FQR_0 to estimate frequency responses FQR_1 to FQR_G at times t1 to tG that are later than the time of reception t0 using the same method as the estimation means 41, and outputs the frequency responses FQR_0 to the optimization means 42.
図23は、図12に示す推定装置4Aの動作を説明するためのフローチャートである。図23に示すフローチャートは、図6に示すフローチャートのステップS1~ステップS3をステップS21~ステップS23に変えたものであり、その他は、図6に示すフローチャートと同じである。 Figure 23 is a flowchart for explaining the operation of the estimation device 4A shown in Figure 12. The flowchart shown in Figure 23 is the same as the flowchart shown in Figure 6, except that steps S1 to S3 of the flowchart shown in Figure 6 are replaced with steps S21 to S23.
図23を参照して、推定装置4Aの動作が開始されると、推定装置4Aの推定手段41Aは、送信機1が、インデックス変調におけるMT個のアンテナのアンテナパターンを(N+1)MT個のアンテナパターンに順次変えて(N+1)MT個のパイロット信号を順次送信したとき、(N+1)MT個のパイロット信号の(N+1)MT個の受信信号を受信機3Aの通信手段32から順次受けることによって送信機1と受信機3Aとの間の伝搬路の周波数応答を示す周波数応答行列H(t)の(N+1)MT個の列を順次推定する(ステップS21)。 Referring to FIG. 23 , when the operation of the estimation device 4A is started, when the transmitter 1 sequentially changes the antenna patterns of the M T antennas in index modulation to (N+1) M T antenna patterns and sequentially transmits (N+1) M T pilot signals, the estimation means 41A of the estimation device 4A sequentially estimates (N+1) M T columns of a frequency response matrix H( t ) indicating the frequency response of the propagation path between the transmitter 1 and the receiver 3A by sequentially receiving (N+1) M T received signals of the (N+1) M T pilot signals from the communication means 32 of the receiver 3A (step S21).
そして、推定手段41Aは、上述した方法によって、周波数応答行列H(t)からハンケル行列Rを生成する(ステップS22)。その後、推定手段41Aは、ハンケル行列Rを行列P,Qの積PQに分解し、その分解した積PQを用いて行列補間を実行し、行列補間後のハンケル行列R*に基づいて復元された時系列を周波数応答行列H*(t)として推定し、周波数応答行列H*(t)を受信時t0の周波数応答FQR_0として推定する(ステップS23)。 Then, the estimation means 41A generates a Hankel matrix R from the frequency response matrix H(t) by the above-mentioned method (step S22). Thereafter, the estimation means 41A decomposes the Hankel matrix R into a product PQ of matrices P and Q, performs matrix interpolation using the decomposed product PQ, estimates a time series restored based on the Hankel matrix R * after matrix interpolation as a frequency response matrix H * (t), and estimates the frequency response matrix H * (t) as a frequency response FQR_0 at the reception time t0 (step S23).
その後、推定手段41Aは、上述したステップS4~ステップS10を順次実行し、最適化手段42は、上述したステップS11,S12を順次実行する。これによって、推定装置4Aの動作が終了する。 Then, the estimation means 41A sequentially executes steps S4 to S10 described above, and the optimization means 42 sequentially executes steps S11 and S12 described above. This completes the operation of the estimation device 4A.
図24は、図23のステップS21の詳細な動作を説明するためのフローチャートである。図23を参照して、推定装置4Aの動作が開始されると、推定装置4Aの推定手段41Aは、t=1を設定する(ステップS211)。 Figure 24 is a flowchart for explaining the detailed operation of step S21 in Figure 23. Referring to Figure 23, when operation of the estimation device 4A starts, the estimation means 41A of the estimation device 4A sets t = 1 (step S211).
そして、推定手段41Aは、1つの受信信号r_tを受信機3Aの通信手段32から受けることによって周波数応答行列H(t)の第t列の要素h_tを推定する(ステップS212)。 The estimation means 41A then estimates the element h_t in the t-th column of the frequency response matrix H(t) by receiving one received signal r_t from the communication means 32 of the receiver 3A (step S212).
その後、推定手段41Aは、t≧MT+1であるか否かを判定する(ステップS213)。 Thereafter, the estimation means 41A determines whether or not t≧M T +1 holds (step S213).
ステップS213において、t≧MT+1でないと判定されたとき、推定手段41Aは、t=t+1を設定する(ステップS214)。その後、推定装置4Aの動作は、ステップS212へ移行し、ステップS213において、t≧MT+1であると判定されるまで、ステップS212~ステップS214が繰り返し実行される。 If it is determined in step S213 that t is not equal to or greater than M T +1, the estimation means 41A sets t to t +1 (step S214). Thereafter, the operation of the estimation device 4A proceeds to step S212, and steps S212 to S214 are repeatedly executed until it is determined in step S213 that t is equal to or greater than M T +1.
そして、ステップS213において、t≧MT+1であると判定されると、推定手段41Aは、q=mod(t,MT)を算出する(ステップS215)。ここで、qは、“t”を“MT”で除算したときの余りである。 Then, when it is determined in step S213 that t≧M T +1, the estimation means 41A calculates q=mod(t, M T ) (step S215), where q is the remainder when "t" is divided by "M T ".
その後、推定手段41Aは、q=0であるか否かを判定する(ステップS216)。ステップS216において、q=0でないと判定されたとき、推定手段41Aは、既に推定した推定値から第q列の推定値h_qを取得し、第t列の重畳要素h_sip_tから第q列の推定値h_qを減算し、減算結果を第t列の要素h_tと推定する(ステップS217)。 Then, the estimation means 41A determines whether q = 0 (step S216). If it is determined in step S216 that q = 0 is not true, the estimation means 41A obtains the estimated value h_q of the qth column from the already estimated values, subtracts the estimated value h_q of the qth column from the superposition element h_sip_t of the tth column, and estimates the subtraction result as the element h_t of the tth column (step S217).
一方、ステップS216において、q=0であると判定されたとき、推定手段41Aは、既に推定した推定値から第MT列の推定値h_MTを取得し、第t列の重畳要素h_sip_tから第MT列の推定値h_MTを減算し、減算結果を第t列の要素h_tと推定する(ステップS218)。 On the other hand, when it is determined in step S216 that q = 0, the estimation means 41A obtains an estimated value h_MT of the M T-th column from the estimated values that have already been estimated, subtracts the estimated value h_MT of the M T-th column from the superposition element h_sip_t of the t-th column, and estimates the subtraction result as the element h_t of the t-th column (step S218).
そして、ステップS217またはステップS218の後、推定手段41Aは、t=(N+1)MTであるか否かを判定する(ステップS219)。 After step S217 or step S218, the estimation means 41A determines whether t=(N+1) MT (step S219).
ステップS219において、t=(N+1)MTでないと判定されたとき、推定手段41Aは、t=t+1を設定する(ステップS220)。その後、推定装置4Aの動作は、ステップS212へ移行し、ステップS219において、t=(N+1)MTであると判定されるまで、ステップS212,S213の“YES”,S215~ステップS220が繰り返し実行される。 When it is determined in step S219 that t is not (N+1) MT , the estimation means 41A sets t to t+1 (step S220). Thereafter, the operation of the estimation device 4A proceeds to step S212, and steps S212 and S213 (YES), and steps S215 to S220 are repeatedly executed until it is determined in step S219 that t is (N+1) MT .
そして、ステップS219において、t=(N+1)MTであると判定されると、推定装置4Aの動作は、図23のステップS22へ移行する。 Then, if it is determined in step S219 that t=(N+1) MT , the operation of the estimation device 4A proceeds to step S22 in FIG.
図24に示すフローチャートにおいては、t=1~MTであるとき、ステップS212,S213の“NO”,S214が繰り返し実行され、ステップS212において、周波数応答行列H(t)の第1列から第MT列の要素h_1~h_MTが推定される(図15のt=1~MT参照)。 In the flowchart shown in FIG. 24, when t=1 to M T , steps S212, "NO" in S213, and S214 are repeatedly executed, and in step S212, elements h_1 to h_M T in the first to M T columns of the frequency response matrix H(t) are estimated (see t=1 to M T in FIG. 15).
そして、t≧MT+1であるとき、ステップS212において、推定された第t列の要素h_tは、2つの要素が重畳した重畳要素からなる。 When t≧M T +1, in step S212, the estimated element h_t of the t-th column is made up of a superimposed element in which two elements are superimposed.
そこで、ステップS213において、t≧MT+1であると判定されたとき、q=mod(t,MT)を算出し、q=0でないとき、即ち、q=1~MT-1であるとき、t=MT+1である第MT+1列の重畳要素h_sip_tから第q(=1)列の要素h_qを減算し、減算結果を第t列の要素h_tとして推定する(ステップS217参照)。図15のt=MT+2~2MT-1である場合も、同様にして第t列の要素h_tが推定される。 Therefore, in step S213, when it is determined that t≧M T +1, q=mod(t, M T ) is calculated, and when q is not 0, that is, when q=1 to M T −1, the element h_q in the q (=1)-th column is subtracted from the superposition element h_sip_t in the M T +1-th column where t=M T +1, and the subtraction result is estimated as the element h_t in the t-th column (see step S217). When t=M T +2 to 2M T −1 in FIG. 15, the element h_t in the t-th column is estimated in a similar manner.
また、図15のt=NMT+1~(N+1)MT-1である場合も、同様にして第t列の要素h_tが推定される。 Also, when t=NM T +1 to (N+1)M T −1 in FIG. 15, the element h_t of the t-th column is estimated in the same manner.
一方、q=0であるとき、t=2MTである第2MT列の重畳要素h_sip_tから第q(=MT)の要素h_q(=MT)を減算し、減算結果を第t列の要素h_tとして推定する(ステップS218参照)。図15のt=(N+1)MTである場合も、同様にして第t列の要素h_tが推定される。 On the other hand, when q = 0, the q (= M T ) element h_q (= M T ) is subtracted from the superposition element h_sip_t of the second M T column where t = 2M T , and the subtraction result is estimated as the element h_t of the t column (see step S218). When t = (N + 1) M T in Figure 15, the element h_t of the t column is estimated in a similar manner.
これによって、図15のt=MT+1~(N+1)MTについて、重畳した推定値を減算した減算結果を第MT+1列~第(N+1)MT列の要素として推定できる。 As a result, for t=M T +1 to (N+1)M T in FIG. 15, the subtraction results obtained by subtracting the superimposed estimated values can be estimated as elements of the M T +1 to (N+1)M T columns.
図25は、図23のステップS23の詳細な動作を説明するためのフローチャートである。 Figure 25 is a flowchart explaining the detailed operation of step S23 in Figure 23.
図25を参照して、図23のステップS22の後、推定手段41Aは、ハンケル行列Rを特異値分解(svd(R))して行列P,Qの積PQに分解し、行列P,Qの初期値を与える(ステップS231)。より具体的には、推定手段41Aは、図20の“2:”~“4:”を順次実行して行列P,Qの初期値を与える。 Referring to FIG. 25, after step S22 in FIG. 23, the estimation means 41A performs singular value decomposition (svd(R)) on the Hankel matrix R to decompose it into the product PQ of matrices P and Q, and provides initial values for matrices P and Q (step S231). More specifically, the estimation means 41A sequentially executes "2:" to "4:" in FIG. 20 to provide initial values for matrices P and Q.
そして、推定手段41Aは、tup=0を設定する(ステップS232)。ここで、tupは、行列P,Q,Rを更新する回数を示す指標であり、1≦tup≦tup maxを満たす整数である。そして、tup maxは、行列P,Q,Rを更新する回数の最大値である。 Then, the estimation means 41A sets t up =0 (step S232), where t up is an index indicating the number of times the matrices P, Q, and R are updated, and is an integer that satisfies 1≦t up ≦t up max , and t up max is the maximum number of times the matrices P, Q, and R are updated.
ステップS232の後、推定手段41Aは、図20の“7:”~“12:”を順次実行して行列Qを更新し(ステップS233)、図20の“13:”~“18:”を順次実行して行列Pを更新し(ステップS234)、図20の“20:”~“21:”を順次実行してハンケル行列Rを更新する(ステップS235)。 After step S232, the estimation means 41A sequentially executes "7:" to "12:" in Figure 20 to update matrix Q (step S233), sequentially executes "13:" to "18:" in Figure 20 to update matrix P (step S234), and sequentially executes "20:" to "21:" in Figure 20 to update Hankel matrix R (step S235).
引き続いて、推定手段41Aは、tup=tup+1を設定する(ステップS236)。そうすると、推定手段41Aは、tup<tup maxであるか否かを判定する(ステップS237)。 Subsequently, the estimation means 41A sets t up =t up +1 (step S236), and then determines whether t up <t up max (step S237).
ステップS237において、tup<tup maxであると判定されたとき、推定装置4Aの動作は、ステップS233へ移行し、ステップS237において、tup<tup maxでないと判定されるまで、ステップS233~ステップS237が繰り返し実行される。 When it is determined in step S237 that t up < t up max , the operation of the estimation device 4A proceeds to step S233, and steps S233 to S237 are repeatedly executed until it is determined in step S237 that t up < t up max does not hold.
そして、ステップS237において、tup<tup maxでないと判定されると、推定手段41Aは、上述した方法によって、行列補間後のハンケル行列R*を時系列に復元する(ステップS238)。 Then, if it is determined in step S237 that t up <t up max does not hold, the estimation means 41A restores the Hankel matrix R * after matrix interpolation in time series by the method described above (step S238).
その後、推定手段41Aは、復元した時系列を周波数応答行列H*(t)として推定し(ステップS239)、周波数応答行列H*(t)を受信時t0の周波数応答FQR_0として推定する(ステップS240)。その後、推定装置4Aの動作は、図23のステップS4へ移行する。 Thereafter, the estimation means 41A estimates the restored time series as a frequency response matrix H * (t) (step S239), and estimates the frequency response matrix H * (t) as a frequency response FQR_0 at the time of reception t0 (step S240). Thereafter, the operation of the estimation device 4A proceeds to step S4 in FIG.
図23に示すフローチャート(図7から図9に示すフローチャートと図24および図25に示すフローチャートとを含む)によれば、推定装置4Aは、送信機1が、インデックス変調におけるMT個のアンテナのアンテナパターンを(N+1)MT個のアンテナパターンに順次変えて(N+1)MT個のパイロット信号を順次送信したとき、(N+1)MT個のパイロット信号の(N+1)MT個の受信信号を受信機3Aの通信手段32から順次受けることによって送信機1と受信機3Aとの間の伝搬路の周波数応答を示す周波数応答行列H(t)の(N+1)MT個の列を順次推定し(ステップS21参照)、周波数応答行列H(t)に対して行列補間を実行して受信時t0における伝搬路の周波数応答FQR_0を推定し(ステップS23参照)、伝搬路の周波数応答FQR_0から受信時t0よりも将来の時点t1における伝搬路の周波数応答FQR_1を推定し(ステップS6参照)、伝搬路の周波数応答FQR_1から伝搬路の周波数応答FQR_2を推定し、伝搬路の周波数応答FQR_2から伝搬路の周波数応答FQR_3を推定し、伝搬路の周波数応答FQR_3から伝搬路の周波数応答FQR_4を推定し、・・・、以下、同様にして、伝搬路の周波数応答FQR_G-1から伝搬路の周波数応答FQR_Gを推定する(ステップS8~S10参照)。 According to the flowchart shown in FIG. 23 (including the flowcharts shown in FIGS. 7 to 9 and the flowcharts shown in FIGS. 24 and 25 ), when the transmitter 1 sequentially changes the antenna patterns of the M T antennas in index modulation to (N+1) M T antenna patterns and sequentially transmits (N+1) M T pilot signals, the estimation device 4A sequentially receives (N+1) M T received signals of the (N+1) M T pilot signals from the communication means 32 of the receiver 3A, thereby estimating (N+1) M T columns of a frequency response matrix H(t) indicating the frequency response of the propagation path between the transmitter 1 and the receiver 3A (see step S21), performs matrix interpolation on the frequency response matrix H(t) to estimate a frequency response FQR_0 of the propagation path at the time of reception t0 (see step S23), and estimates a frequency response FQR_0 of the propagation path at a time t that is later than the time of reception t0 from the frequency response FQR_0 of the propagation path. 1 , the frequency response FQR_1 of the propagation path is estimated (see step S6), the frequency response FQR_2 of the propagation path is estimated from the frequency response FQR_1 of the propagation path, the frequency response FQR_3 of the propagation path is estimated from the frequency response FQR_2 of the propagation path, the frequency response FQR_4 of the propagation path is estimated from the frequency response FQR_3 of the propagation path, ... and similarly, the frequency response FQR_G of the propagation path is estimated from the frequency response FQR_G-1 of the propagation path (see steps S8 to S10).
そして、推定装置4Aは、推定装置4と同様にして、時点tgにおける周波数応答FQR_gから時点tg+1における周波数応答FQR_g+1を式(18),(22)によって推定することを繰り返し実行して、それぞれ時点t2~tGにおける周波数応答FQR_2~FQR_Gを推定する(ステップS8~S10参照)。 Then, similar to the estimation device 4, the estimation device 4A repeatedly estimates the frequency response FQR_g at time tg to the frequency response FQR_g+ 1 at time tg+1 using equations (18) and (22), thereby estimating the frequency responses FQR_2 to FQR_G at times t2 to tG , respectively (see steps S8 to S10).
従って、時点t1~tGを信号の送信時に設定することによって、送信機1と受信機3Aとの間の伝搬路の推定時刻と送信時刻とのラグによる乖離を抑圧することができる。 Therefore, by setting the times t 1 to t G to the times of signal transmission, it is possible to suppress the discrepancy due to the lag between the estimated time of the propagation path between the transmitter 1 and the receiver 3A and the transmission time.
また、推定装置4Aは、周波数応答行列H(t)に対して行列補間を実行して周波数応答FQR_0を推定するので、要素が欠落していない周波数応答FQR_0を推定できる。その結果、推定装置4Aは、周波数応答FQR_0を用いて、要素が欠落していない周波数応答FQR_1~FQR_Gを推定できる。 In addition, the estimation device 4A estimates the frequency response FQR_0 by performing matrix interpolation on the frequency response matrix H(t), so it can estimate the frequency response FQR_0 without missing elements. As a result, the estimation device 4A can use the frequency response FQR_0 to estimate the frequency responses FQR_1 to FQR_G without missing elements.
その他、実施の形態1に記載の効果を得ることができる。 Other effects described in embodiment 1 can also be obtained.
実施の形態2においては、推定装置4Aの動作は、ソフトウェアによって実現されてもよい。この場合、推定装置4Aは、CPU、ROMおよびRAMを備える。そして、ROMは、図23に示すフローチャート(図7から図9に示すフローチャートと図24および図25に示すフローチャートとを含む)の各ステップからなるプログラムProg_Bを記憶する。 In the second embodiment, the operation of the estimation device 4A may be realized by software. In this case, the estimation device 4A includes a CPU, ROM, and RAM. The ROM stores a program Prog_B consisting of the steps of the flowchart shown in FIG. 23 (including the flowcharts shown in FIGS. 7 to 9 and the flowcharts shown in FIGS. 24 and 25).
CPUは、ROMからプログラムProg_Bを読み出し、その読み出したプログラムProg_Bを実行して、時点t0~tGにおける周波数応答FQR_0~FQR_Gを推定するとともに、周波数応答FQR_0~FQR_Gを用いて時点t0~tGにおける送信重みWおよび反射係数θを最適化し、その最適化した送信重みWおよび反射係数θをそれぞれ送信機1およびIRS2Aへフィードバックする。RAMは、N個の反射素子21のQN個の反射係数のパターンを含むコードブックを一時的に記憶する。 The CPU reads out the program Prog_B from the ROM and executes the read out program Prog_B to estimate frequency responses FQR_0 to FQR_G from time t 0 to t G , and optimizes the transmission weights W and the reflection coefficients θ from time t 0 to t G using the frequency responses FQR_0 to FQR_G, and feeds back the optimized transmission weights W and the reflection coefficients θ to the transmitter 1 and the IRS 2 A, respectively. The RAM temporarily stores a codebook including patterns of QN reflection coefficients for the N reflecting elements 21.
また、プログラムProg_Bは、CD,DVD等の記録媒体に記録されて流通してもよい。プログラムProg_Bを記録した記録媒体がコンピュータに装着されると、コンピュータは、記録媒体からプログラムProg_Bを読み出して実行して、時点t0~tGにおける周波数応答FQR_0~FQR_Gを推定するとともに、周波数応答FQR_0~FQR_Gを用いて時点t0~tGにおける送信重みWおよび反射係数θを最適化し、その最適化した送信重みWおよび反射係数θをそれぞれ送信機1およびIRS2Aへフィードバックする。 Furthermore, the program Prog_B may be recorded on a recording medium such as a CD, a DVD, etc. and distributed. When a recording medium on which the program Prog_B is recorded is attached to a computer, the computer reads and executes the program Prog_B from the recording medium to estimate frequency responses FQR_0 to FQR_G from time t 0 to t G , and optimizes the transmission weights W and the reflection coefficients θ from time t 0 to t G using the frequency responses FQR_0 to FQR_G, and feeds back the optimized transmission weights W and reflection coefficients θ to the transmitter 1 and the IRS 2A, respectively.
従って、プログラムProg_Bを記録した記録媒体は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体である。 Therefore, the recording medium on which the program Prog_B is recorded is a computer-readable recording medium.
実施の形態2においては、実施の形態1において説明したN個の反射素子21をc個のクラスタに分類することが適用されてもよい。 In embodiment 2, the N reflective elements 21 described in embodiment 1 may be classified into c clusters.
この場合、図15において説明した方法によって周波数応答行列H(t)の各列を推定するとき、IRS2AのIRSコントローラ22Aは、c個のクラスタのc個の代表反射素子のうちの1個の代表反射素子のみが“ON”になり、かつ、その他の(c-1)個の代表反射素子が“OFF”になるように“ON”にする1個の代表反射素子を予め決定した所定の順序で順次変えるように制御する。 In this case, when estimating each column of the frequency response matrix H(t) using the method described in Figure 15, the IRS controller 22A of the IRS 2A controls the one representative reflecting element to be turned "ON" in a predetermined order so that only one representative reflecting element out of the c representative reflecting elements of the c clusters is turned "ON" and the other (c-1) representative reflecting elements are turned "OFF."
実施の形態2におけるその他の説明は、実施の形態1における説明と同じである。 The rest of the explanation for embodiment 2 is the same as the explanation for embodiment 1.
上述した実施の形態1においては、推定装置4が、受信機3から受けたパイロット信号の受信信号y(t)に基づいて式(1)~式(6)を用いて、伝搬路の周波数応答HD,HCを算出して受信信号y(t)の受信時t0における伝搬路の周波数応答FQR_0を推定し、その推定した周波数応答FQR_0を用いて、受信時t0よりも将来の時点t1~tGにおける周波数応答FQR_1~周波数応答FQR_Gを推定することを説明した。 In the above-described first embodiment, it has been explained that the estimation device 4 calculates the frequency responses H D and H C of the propagation path using equations (1) to (6) based on the received signal y(t) of the pilot signal received from the receiver 3 , estimates the frequency response FQR_0 of the propagation path at the time t 0 when the received signal y(t) is received, and uses the estimated frequency response FQR_0 to estimate the frequency responses FQR_1 to FQR_G at times t 1 to t G that are later than the time t 0 when the received signal is received.
また、上述した実施の形態2においては、送信機1がインデックス変調におけるMT個のアンテナのアンテナパターンを(N+1)MT個のアンテナパターンに順次変えて(N+1)MT個のパイロット信号を順次送信したとき、推定装置4Aが、(N+1)MT個のパイロット信号の(N+1)MT個の受信信号を受信機3Aの通信手段32から順次受けることによって送信機1と受信機3Aとの間の伝搬路の周波数応答を示す周波数応答行列H(t)の(N+1)MT個の列を順次推定し、周波数応答行列H(t)に対して行列補間を実行して受信時t0における伝搬路の周波数応答FQR_0を推定し、その推定した伝搬路の周波数応答FQR_0を用いて、受信時t0よりも将来の時点t1~tGにおける周波数応答FQR_1~周波数応答FQR_Gを推定することを説明した。 In the above-described second embodiment, it has been explained that when the transmitter 1 sequentially changes the antenna patterns of the M T antennas in index modulation to (N+1)M T antenna patterns and sequentially transmits (N+1)M T pilot signals, the estimation device 4A sequentially receives (N+1)M T received signals of the (N+1)M T pilot signals from the communication means 32 of the receiver 3A, thereby sequentially estimating (N+1)M T columns of the frequency response matrix H(t) indicating the frequency response of the propagation path between the transmitter 1 and the receiver 3A, performs matrix interpolation on the frequency response matrix H(t) to estimate the frequency response FQR_0 of the propagation path at the time of reception t0 , and uses the estimated frequency response FQR_0 of the propagation path to estimate frequency responses FQR_1 to FQR_G at time points t1 to tG that are later than the time of reception t0 .
そして、(N+1)MT個のパイロット信号の(N+1)MT個の受信信号を受信機3Aの通信手段32から順次受けることによって周波数応答行列H(t)の(N+1)MT個の列を順次推定することは、パイロット信号に基づいて周波数応答行列H(t)を推定することに相当する。 Then, sequentially estimating the (N+1)MT columns of the frequency response matrix H(t) by sequentially receiving (N+1) MT received signals of the (N+1) MT pilot signals from the communication means 32 of the receiver 3A corresponds to estimating the frequency response matrix H(t) based on the pilot signals.
また、周波数応答行列H(t)に対して行列補間を実行しなくても、行列補間前の周波数応答行列H(t)を周波数応答FQR_0とし、周波数応答FQR_0を用いて、式(18),(22)によって、周波数応答FQR_1~FQR_Gを順次推定することは可能である。 Furthermore, even if matrix interpolation is not performed on the frequency response matrix H(t), it is possible to use the frequency response matrix H(t) before matrix interpolation as the frequency response FQR_0, and use the frequency response FQR_0 to sequentially estimate the frequency responses FQR_1 to FQR_G using equations (18) and (22).
従って、この発明の実施の形態による推定装置は、
MT(MTは、2以上の整数)個のアンテナを有する送信機と、反射特性を動的に変更可能なN(Nは、2以上の整数)個の反射素子を有する電磁波反射体であるIRSと、MR(MRは、2以上の整数)個のアンテナを有する受信機とが非直線状に配置された無線通信空間において、送信機が受信機へ既知の信号であるパイロット信号を送信したとき、送信機と受信機との間の伝搬路の周波数応答を受信機において推定する推定装置であって、
パイロット信号の受信信号を受けると、その受けた受信信号に基づいて伝搬路の周波数応答FQR_0を推定し、その推定した周波数応答FQR_0に基づいて、自己回帰モデルを用いて、受信機が受信信号を受信した時点から将来の時点であるG(Gは、1以上の整数であり、伝搬路の周波数応答を推定する時点の総数である。)個の時点における周波数応答であるG個の周波数応答FQR_1~FQR_Gを推定する推定処理を実行する推定手段と、
周波数応答FQR_0およびG個の周波数応答FQR_1~FQR_Gを用いて、N個の反射素子の反射係数とMT個のアンテナの送信重みとを最適化する最適化処理を実行する最適化手段とを備えていればよい。
Therefore, the estimation device according to the embodiment of the present invention
In a wireless communication space in which a transmitter having M T (M T is an integer of 2 or more) antennas, an IRS which is an electromagnetic wave reflector having N (N is an integer of 2 or more) reflecting elements whose reflection characteristics can be dynamically changed, and a receiver having M R (M R is an integer of 2 or more) antennas are non-linearly arranged, when the transmitter transmits a pilot signal which is a known signal to the receiver, an estimation device is provided which estimates a frequency response of a propagation path between the transmitter and the receiver at the receiver,
an estimation means for, upon receiving a received signal of a pilot signal, estimating a frequency response FQR_0 of a propagation path based on the received signal, and using an autoregressive model to execute an estimation process for estimating G frequency responses FQR_1 to FQR_G, which are frequency responses at G future points in time from the point in time when the receiver receives the received signal (G is an integer equal to or greater than 1 and is the total number of points in time at which the frequency responses of the propagation path are estimated);
It is only necessary to provide an optimization means for performing an optimization process that optimizes the reflection coefficients of the N reflecting elements and the transmission weights of the M T antennas using the frequency response FQR_0 and G frequency responses FQR_1 to FQR_G.
推定装置が推定手段と最適化手段とを備えていれば、受信時t0の伝搬路の周波数応答FQR_0と、受信時t0よりも将来の時点t1~tGにおける伝搬路の周波数応答FQR_1~FQR_Gとを推定し、その推定した周波数応答FQR_0~FQR_Gを用いてN個の反射素子の反射係数とMT個のアンテナの送信重みとを最適化するので、時点t1~tGの各時点において、伝搬路の推定時刻と送信時刻とのラグによる乖離を抑圧して信号を送信できるからである。 If the estimation device is equipped with an estimation means and an optimization means, it estimates the frequency response FQR_0 of the propagation path at the time of reception t0 and the frequency responses FQR_1 to FQR_G of the propagation path at times t1 to tG that are later than the time of reception t0 , and uses the estimated frequency responses FQR_0 to FQR_G to optimize the reflection coefficients of the N reflecting elements and the transmission weights of the M T antennas, so that at each time point t1 to tG , it is possible to transmit a signal while suppressing the deviation due to the lag between the estimated time of the propagation path and the transmission time.
また、この発明の実施の形態によるプログラムは、
MT(MTは、2以上の整数)個のアンテナを有する送信機と、反射特性を動的に変更可能なN(Nは、2以上の整数)個の反射素子を有する電磁波反射体であるIRSと、MR(MRは、2以上の整数)個のアンテナを有する受信機とが非直線状に配置された無線通信空間において、送信機が受信機へ既知の信号であるパイロット信号を送信したとき、送信機と受信機との間の伝搬路の周波数応答の推定を受信機の推定装置においてコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
推定手段が、パイロット信号の受信信号を受けると、その受けた受信信号に基づいて伝搬路の周波数応答FQR_0を推定し、その推定した周波数応答FQR_0に基づいて、自己回帰モデルを用いて、受信機が受信信号を受信した時点から将来の時点であるG(Gは、1以上の整数であり、伝搬路の周波数応答を推定する時点の総数である。)個の時点における周波数応答であるG個の周波数応答FQR_1~FQR_Gを推定する推定処理を実行する第1のステップと、
最適化手段が、周波数応答FQR_0およびG個の周波数応答FQR_1~FQR_Gを用いて、N個の反射素子の反射係数とMT個のアンテナの送信重みとを最適化する最適化処理を実行する第2のステップとをコンピュータに実行させればよい。
Furthermore, the program according to the embodiment of the present invention is
A program for causing a computer to execute, in an estimation device of a receiver , an estimation of a frequency response of a propagation path between a transmitter and a receiver when the transmitter transmits a pilot signal, which is a known signal, in a wireless communication space in which a transmitter having M T (M T is an integer of 2 or more) antennas, an IRS which is an electromagnetic wave reflector having N (N is an integer of 2 or more) reflecting elements whose reflection characteristics can be dynamically changed, and a receiver having M R (M R is an integer of 2 or more) antennas are non-linearly arranged,
a first step of executing an estimation process in which, when an estimation means receives a received signal of a pilot signal, it estimates a frequency response FQR_0 of a propagation path based on the received signal, and, based on the estimated frequency response FQR_0, it uses an autoregressive model to estimate G frequency responses FQR_1 to FQR_G which are frequency responses at G (G is an integer equal to or greater than 1 and is the total number of times at which the frequency responses of the propagation path are estimated) time points in the future from the time point at which the receiver receives the received signal;
and a second step in which the optimization means performs an optimization process to optimize the reflection coefficients of the N reflecting elements and the transmission weights of the M T antennas using the frequency response FQR_0 and G frequency responses FQR_1 to FQR_G.
プログラムが第1のステップと第2のステップとをコンピュータに実行させれば、受信時t0の伝搬路の周波数応答FQR_0と、受信時t0よりも将来の時点t1~tGにおける伝搬路の周波数応答FQR_1~FQR_Gとを推定し、その推定した周波数応答FQR_0~FQR_Gを用いてN個の反射素子の反射係数とMT個のアンテナの送信重みとを最適化するので、時点t1~tGの各時点において、伝搬路の推定時刻と送信時刻とのラグによる乖離を抑圧して信号を送信できるからである。 When the program causes a computer to execute the first step and the second step, it estimates the frequency response FQR_0 of the propagation path at the time of reception t0 and the frequency responses FQR_1 to FQR_G of the propagation path at times t1 to tG that are later than the time of reception t0 , and optimizes the reflection coefficients of the N reflecting elements and the transmission weights of the M T antennas using the estimated frequency responses FQR_0 to FQR_G, so that at each time point t1 to tG , it is possible to transmit a signal while suppressing the deviation due to the lag between the estimated time of the propagation path and the transmission time.
なお、この発明の実施の形態においては、表1に示す最適化された送信重みWopt_0~Wopt_Gと表2に示す送最適化された反射係数θopt_0~θopt_Gとをそれぞれ送信機1およびIRS2(またはIRS2A)へフィードバックする最適化手段42は、「フィードバック手段」を構成する。 In this embodiment of the present invention, the optimization means 42 that feeds back the optimized transmission weights W opt — 0 to W opt — G shown in Table 1 and the optimized reflection coefficients θ opt — 0 to θ opt — G shown in Table 2 to the transmitter 1 and IRS2 (or IRS2A), respectively, constitutes a ``feedback means.''
また、この発明の実施の形態においては、行列Qは、「第1の行列」を構成し、行列Pは、「第2の行列」を構成する。 Furthermore, in this embodiment of the present invention, matrix Q constitutes the "first matrix" and matrix P constitutes the "second matrix."
更に、この発明の実施の形態においては、図6のステップS3において、周波数応答HDは、周波数応答FQR_0の「第1の周波数応答」を構成し、周波数応答HCは、周波数応答FQR_0の「第2の周波数応答」を構成する。 Furthermore, in this embodiment of the present invention, in step S3 of FIG. 6, the frequency response H D constitutes the "first frequency response" of the frequency response FQR_0, and the frequency response H C constitutes the "second frequency response" of the frequency response FQR_0.
更に、この発明の実施の形態においては、図8のステップS82における周波数応答HD g(g=1~G-1)は、周波数応答FQR_g(g=1~G-1)の「第1の周波数応答」を構成し、図8のステップS81における周波数応答HC g(g=1~G-1)は、周波数応答FQR_g(g=1~G-1)の「第2の周波数応答」を構成する。 Furthermore, in this embodiment of the present invention, the frequency response H D g (g=1 to G−1) in step S82 of FIG. 8 constitutes the “first frequency response” of the frequency response FQR_g (g=1 to G−1), and the frequency response H C g (g=1 to G−1) in step S81 of FIG. 8 constitutes the “second frequency response” of the frequency response FQR_g (g=1 to G−1).
更に、この発明の実施の形態においては、図8のステップS82における周波数応答HD g+1(g=1~G-1)は、周波数応答FQR_g+1(g=1~G-1)の「第1の周波数応答」を構成し、図8のステップS81における周波数応答HC g+1(g=1~G-1)は、周波数応答FQR_g+1(g=1~G-1)の「第2の周波数応答」を構成する。 Furthermore, in this embodiment of the present invention, the frequency response H D g+1 (g=1 to G−1) in step S82 of FIG. 8 constitutes the “first frequency response” of the frequency response FQR_g+1 (g=1 to G−1), and the frequency response H C g+1 (g=1 to G−1) in step S81 of FIG. 8 constitutes the “second frequency response” of the frequency response FQR_g+1 (g=1 to G−1).
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed herein should be considered in all respects to be illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims, not by the description of the above embodiments, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of the claims.
この発明は、推定装置、それを備える無線通信システムおよびコンピュータに実行させるためのプログラムに適用される。 This invention applies to an estimation device, a wireless communication system including the same, and a program for causing a computer to execute the device.
1 送信機、2,2A IRS、3,3A 受信機、4,4A 推定装置、10 無線通信システム、21 反射素子、22,22A IRSコントローラ、31 アンテナ、32 通信手段、41,41A 推定手段、42 最適化手段。 1 Transmitter, 2, 2A IRS, 3, 3A Receiver, 4, 4A Estimation device, 10 Wireless communication system, 21 Reflection element, 22, 22A IRS controller, 31 Antenna, 32 Communication means, 41, 41A Estimation means, 42 Optimization means.
Claims (19)
前記パイロット信号の受信信号を受けると、その受けた受信信号に基づいて、前記受信信号を受信した時点における前記伝搬路の周波数応答FQR_0を推定し、その推定した周波数応答FQR_0に基づいて、自己回帰モデルを用いて、前記受信機が前記受信信号を受信した時点から将来の時点であるG(Gは、1以上の整数であり、前記伝搬路の周波数応答を推定する時点の総数である。)個の時点における前記周波数応答であるG個の周波数応答FQR_1~FQR_Gを推定する推定処理を実行する推定手段と、
前記周波数応答FQR_0および前記G個の周波数応答FQR_1~FQR_Gを用いて、前記N個の反射素子の反射係数と前記MT個のアンテナの送信重みとを最適化する最適化処理を実行する最適化手段とを備える推定装置。 In a wireless communication space in which a transmitter having M T (M T is an integer of 2 or more) antennas, an IRS which is an electromagnetic wave reflector having N (N is an integer of 2 or more) reflecting elements whose reflection characteristics can be dynamically changed, and a receiver having M R (M R is an integer of 2 or more) antennas are non-linearly arranged, when the transmitter transmits a pilot signal which is a known signal to the receiver, an estimation device is provided for estimating a frequency response of a propagation path between the transmitter and the receiver at the receiver, the device comprising:
an estimation means for executing an estimation process, when receiving a received signal of the pilot signal, estimating a frequency response FQR_0 of the propagation path at the time when the received signal was received based on the received signal, and estimating G frequency responses FQR_1 to FQR_G, which are the frequency responses at G time points (G is an integer equal to or greater than 1 and is the total number of time points at which the frequency responses of the propagation path are estimated) that are future time points from the time when the receiver received the received signal, using an autoregressive model based on the estimated frequency response FQR_0;
an optimization means for performing an optimization process to optimize the reflection coefficients of the N reflecting elements and the transmission weights of the M T antennas using the frequency response FQR_0 and the G frequency responses FQR_1 to FQR_G.
前記推定手段は、前記推定処理において、前記推定した周波数応答FQR_0の前記第1の周波数応答の初期値から第1番目の第1の周波数応答を推定するとともに前記推定した周波数応答FQR_0の前記第2の周波数応答の初期値から第1番目の第2の周波数応答を推定すると、前記g番目の第1の周波数応答から前記(g+1)番目の第1の周波数応答を推定し、前記g番目の第2の周波数応答から前記(g+1)番目の第2の周波数応答を推定し、前記g番目の第1の周波数応答および前記g番目の第2の周波数応答とからなる前記g番目の周波数応答FQR_gを推定するとともに前記(g+1)番目の第1の周波数応答および前記(g+1)番目の第2の周波数応答とからなる前記(g+1)番目の周波数応答FQR_g+1を推定する処理をg=1~(G-1)の全てについて順次実行して前記G個の周波数応答FQR_1~FQR_Gを推定する、請求項2に記載の推定装置。 the frequency response FQR_0 and each of the G frequency responses FQR_1 to FQR_G include a first frequency response indicating a frequency response of a direct link, which is a propagation path when a radio wave directly reaches the receiver from the transmitter, and a second frequency response indicating a frequency response of an indirect link, which is a propagation path when the radio wave reaches the receiver from the transmitter via the IRS, and each of the first frequency response and the second frequency response of the frequency response FQR_0 is set as an initial value;
3. The estimation device according to claim 2, wherein, in the estimation process, the estimation means estimates a first first frequency response from an initial value of the first frequency response of the estimated frequency response FQR_0 and estimates a first second frequency response from an initial value of the second frequency response of the estimated frequency response FQR_0, then estimates the (g+1)th first frequency response from the gth first frequency response, estimates the (g+1)th second frequency response from the gth second frequency response, estimates the gth frequency response FQR_g consisting of the gth first frequency response and the gth second frequency response, and estimates the (g+1)th frequency response FQR_g+1 consisting of the (g+1)th first frequency response and the (g+1)th second frequency response, sequentially for all of g = 1 to (G-1), thereby estimating the G frequency responses FQR_1 to FQR_G.
前記c個のクラスタの各々に含まれる反射素子は、反射特性が同じになるように制御される、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の推定装置。 The N reflecting elements are classified into c clusters (c is an integer equal to or greater than 1), each of which has the same frequency response of the propagation path;
The estimation device according to claim 1 , wherein the reflective elements included in each of the c clusters are controlled so that they have the same reflective characteristics.
前記パイロット信号の受信信号が受信されると、その受信された受信信号に基づいて、前記受信信号が受信された時点における前記伝搬路の周波数応答FQR_0が推定され、その推定された周波数応答FQR_0に基づいて、自己回帰モデルが用いられて、前記受信信号が受信された時点から将来の時点であるG(Gは、1以上の整数であり、前記伝搬路の周波数応答を推定する時点の総数である。)個の時点における前記周波数応答であるG個の周波数応答FQR_1~FQR_Gが推定される推定処理を実行する第1のステップと、
前記周波数応答FQR_0および前記G個の周波数応答FQR_1~FQR_Gが用いられて、前記N個の反射素子の反射係数と前記MT個のアンテナの送信重みとが最適化される最適化処理を実行する第2のステップとをコンピュータに実行させるためのプログラム。 In a wireless communication space in which a transmitter having M T antennas (M T is an integer of 2 or more), an IRS which is an electromagnetic wave reflector having N (N is an integer of 2 or more) reflecting elements whose reflection characteristics can be dynamically changed, and a receiver having M R antennas (M R is an integer of 2 or more) are non-linearly arranged, when the transmitter transmits a pilot signal which is a known signal to the receiver, a program for causing a computer to execute an estimation device of the receiver to estimate a frequency response of a propagation path between the transmitter and the receiver, the program comprising:
a first step of executing an estimation process in which, when a received signal of the pilot signal is received , a frequency response FQR_0 of the propagation path at the time the received signal is received is estimated based on the received signal, and an autoregressive model is used based on the estimated frequency response FQR_0 to estimate G frequency responses FQR_1 to FQR_G , which are the frequency responses at G time points (G is an integer equal to or greater than 1 and is the total number of time points at which the frequency responses of the propagation path are estimated ) that are future time points from the time the received signal is received;
a second step of performing an optimization process in which the frequency response FQR_0 and the G frequency responses FQR_1 to FQR_G are used to optimize the reflection coefficients of the N reflecting elements and the transmission weights of the M T antennas.
前記第1のステップの前記推定処理において、前記推定された周波数応答FQR_0の前記第1の周波数応答の初期値から第1番目の第1の周波数応答が推定されるとともに前記推定された周波数応答FQR_0の前記第2の周波数応答の初期値から第1番目の第2の周波数応答が推定されると、前記g番目の第1の周波数応答から前記(g+1)番目の第1の周波数応答が推定され、前記g番目の第2の周波数応答から前記(g+1)番目の第2の周波数応答が推定され、前記g番目の第1の周波数応答および前記g番目の第2の周波数応答とからなる前記g番目の周波数応答FQR_gが推定されるとともに前記(g+1)番目の第1の周波数応答および前記(g+1)番目の第2の周波数応答とからなる前記(g+1)番目の周波数応答FQR_g+1が推定される処理がg=1~(G-1)の全てについて順次実行されて前記G個の周波数応答FQR_1~FQR_Gが推定される、請求項12に記載のコンピュータに実行させるためのプログラム。 the frequency response FQR_0 and each of the G frequency responses FQR_1 to FQR_G include a first frequency response indicating a frequency response of a direct link, which is a propagation path when a radio wave directly reaches the receiver from the transmitter, and a second frequency response indicating a frequency response of an indirect link, which is a propagation path when the radio wave reaches the receiver from the transmitter via the IRS, and each of the first frequency response and the second frequency response of the frequency response FQR_0 is set to an initial value;
In the estimation process of the first step, when a first first frequency response is estimated from an initial value of the first frequency response of the estimated frequency response FQR_0 and a first second frequency response is estimated from an initial value of the second frequency response of the estimated frequency response FQR_0 , the (g+1)-th first frequency response is estimated from the g-th first frequency response , and the (g+1)-th second frequency response is estimated from the g-th second frequency response, 13. The program for causing a computer to execute the program according to claim 12, wherein a process of estimating the gth frequency response FQR_g consisting of the gth first frequency response and the gth second frequency response and estimating the (g+1)th frequency response FQR_g +1 consisting of the (g+1)th first frequency response and the (g+1)th second frequency response is sequentially executed for all of g=1 to (G−1), thereby estimating the G frequency responses FQR_1 to FQR_G.
前記c個のクラスタの各々に含まれる反射素子は、反射特性が同じになるように制御される、請求項11から請求項17のいずれか1項に記載のコンピュータに実行させるためのプログラム。 The N reflecting elements are classified into c clusters (c is an integer equal to or greater than 1), each of which has the same frequency response of the propagation path;
18. The program for causing a computer to execute the program according to claim 11, wherein the reflective elements included in each of the c clusters are controlled so that the reflective characteristics are the same.
19. The program for causing a computer to execute the program of claim 11, further causing the computer to execute a third step of feeding back the optimized reflection coefficients of the N reflecting elements and the optimized transmission weights of the M T antennas to the IRS and the transmitter, respectively .
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Non-Patent Citations (1)
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| Beixiong Zheng et al.,Intelligent Reflecting Surface-Enhanced OFDM: Channel Estimation and Reflection Optimization,IEEE Wireless Communications Letters[online],2020年04月,Vol.9, No.4,pp.518-522, [取得日2025.09.01],取得先<https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=8937491> |
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